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26年59星!回望中国北斗的非凡之旅

2020-06-26 18:20

  2020年6月23日,由中国航天科技集团有限公司五院抓总研制的第55颗北斗导航卫星成功发射。随着该星进入预定工作轨道,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

  摄影 胡煦??/span>

  20 世纪80 年代开始,我国开始探索适合国情的卫星导航系统发展道路,形成了“三步走”发展战略。自1994年北斗一号系统工程立项至今,我国用26年的时间实现了59颗北斗卫星(包括55颗北斗导航卫星和4颗北斗导航试验卫星)的发射。

  回望中国北斗的发展,是一条各方力量同舟共济、携手拼搏,共同走出的非凡之旅。

  率先“吃螃蟹”的北斗一号

  早在北斗工程诞生之前,我国曾在卫星导航领域苦苦摸索,在理论探索和研制实践方面都开展了卓有成效的工作。

  立项于20世纪60年代末的“灯塔计划”,虽然最终因技术方向转型、财力有限等原因终止,但它却如同黑夜中的明灯,以十余年的设计和研制,为五院积累了宝贵的工程经验。

  精益求精的北斗人 航天五院供图

  1983年,以陈芳允院士为代表的专家学者,提出了利用2颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想。经过大量理论和技术研究工作,双星定位系统概念逐步明晰。

  接下来是一步跨到全球组网,还是分阶段走?当时引发了不小的争议。最终,“先区域、后全球”的思路被确定下来,“三步走”的北斗之路由此铺开。

  1993年初,五院提出卫星总体方案,初步确定了卫星技术状态和总体技术指标。次年北斗一号系统工程立项,研制工作全面展开。

  然而,在当时国外技术封锁、国内部件厂家尚未成熟的情况下,北斗一号研制只能在摸索中起步。据五院北斗一号总设计师范本尧院士回忆,北斗一号的国产化是从太阳帆板做起。“当时很多卫星都不敢上,北斗是第一个‘吃螃蟹’的,硬着头皮上。”他说。

  在此后的国产化攻关中,不论是东方红三号平台的横空出世,还是影响长寿命的关键部件,以李祖洪总指挥、范本尧总设计师等为代表的老一辈北斗人,凭借自力更生的创业精神逐一攻克难关,终于在2003年建成了北斗一号系统,使我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

  同时,在此过程中积累的建设和应用实践经验,以及迅速成长的北斗研制队伍,为后续工程建设打下了坚实基础。

  北斗二号在激情岁月中成长

  1999年,五院在全力研制北斗一号卫星的同时,开始了对第二代卫星导航定位系统的论证。2004年,北斗二号卫星工程正式立项研制。

  为实现快速形成区域导航服务能力的国家战略,以谢军、杨慧等为代表的北斗人,设计了国际上首个以GEO(地球同步轨道)/IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星为主、有源与无源导航多功能服务相融合的卫星方案,攻克了以导航卫星总体技术、高精度星载原子钟等多项关键技术,打破了国外技术封锁,建成了国际上首个混合星座区域卫星导航系统。

  北斗二号的8年研制,是让北斗人难忘的激情岁月。2007年,首颗北斗二号卫星迎来研制攻关的关键时刻。根据国际电联的频率申请规则,有限的频率资源过期作废。研制队伍争分夺秒完成了所有前期研制,进驻发射场后又大干3天体力活,搬设备、扛机柜、布电缆,没有片刻喘息,紧接着又是200小时不间断的加电测试。

  在这场与时间的赛跑中,院士、型号老总和技术人员一起排班,共同战胜种种考验。不少队员因为水土不服和过度疲劳而拉肚子、发烧,总设计师谢军3次晕倒……2007年4月16日,首颗北斗二号卫星发射2天后,传回了清晰的信号,使我国卫星导航系统具备了获得空间频率资源的资格。此时,频率有效时间仅剩不到4小时。

  此后数年,北斗二号卫星发射连战连捷。2012年12月27日,北斗卫星导航系统正式提供区域服务,成为国际卫星导航系统四大服务商之一。

  北斗三号开启创新发展新征程

  在北斗二号正式提供区域导航定位服务前,北斗三号全球导航系统的论证验证工作已拉开序幕,确定了建设独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统的发展目标。自此,北斗开启了创新发展的新征程。

  建设高性能、高可靠的北斗全球卫星导航系统,是我国科技领域中长期发展规划的16个重大专项之一。相对于北斗二号区域系统,北斗三号服务区域将扩展至全球,同时实现下行导航信号升级与改造等关键技术突破,为用户提供更为优质的服务。

  北斗三号

  该系统建设既是对北斗区域系统的完善与升级,更是聚焦世界一流卫星导航系统的攀登与跨越。系统建成后性能与GPS相当,将使我国卫星导航系统达到国际先进水平。

  自2009年12月起,北斗三号研制团队在谢军、迟军、王平、陈忠贵等专家带领下加速冲刺,于2018年成功实现一年19星发射,在太空中刷新了“中国速度”。北斗三号全球导航系统不仅提出了国际上首个高中轨道星间链路混合型新体制,形成了具有自主知识产权的星间链路网络协议,自主定轨、时间同步等系统方案,还研发、建立了器部件国产化从研制、验证到应用的一体化体系,彻底打破了核心器部件长期依赖进口、受制于人的局面。

  今日之北斗,已取得史诗般的进步和成就。“三步走”的战略路径,从“梦想在望”变成“梦想在握”。

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  北斗三号牛在哪?

  新突破实现联通无极限。由于我国北斗系统不能像美国GPS那样,在全球建立地面站,为了解决境外卫星的数据传输通道,航天科技集团五院北斗三号研制团队攻克了星座星间链路技术,采取星间、星地传输功能一体化设计,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通,这就是说,虽然“看不见”在地球另一面的北斗卫星,但用北斗卫星的星间链路同样能与它们取得联系。用星间链路技术实现太空兄弟间手拉手,心相通,不仅实现了相互间的通信和数据传输,还能相互测距,自动“保持队形”,可以减轻地面管理维护压力。星间链路技术的应用中,设计了全新的网络协议、管理策略和路由策略,解决了不能全球布站进行卫星境外监测的难题,是北斗全球导航系统建设的一大特色。

  双星运往发射塔架 航天五院供稿

  新技术实现卫星长寿命。“北斗是一个开放的系统,中国的北斗,世界的北斗,中国发展卫星导航技术是国民经济的重要基础设施,也是为全人类提供时间坐标和空间坐标的基础设施,服务的连续性和稳定性十分重要”,航天科技集团五院北斗三号卫星总指挥迟军介绍说,就像停水停电影响城市生活一样,卫星导航服务一旦中断,国家和社会的正常运行会受到很大的影响,因此,对卫星导航的可靠性、连续性提出了苛刻设计的要求。为了提高卫星在轨服务的可靠性,北斗三号卫星采取了多项可靠性措施,使卫星的设计寿命达到12年,达到国际导航卫星的先进水平,为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。

  北斗三号

  新“神器”让服务“零误差”。为了提高服务的精度,北斗三号配置了新一代原子钟,通过提升原子钟指标,提升卫星性能、改善用户体验。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性保证产生时间的精准性,目前国际上主要有铷原子钟、氢原子钟、铯原子钟等。我国北斗卫星采用铷原子钟,同时还配置了性能更高的新研国产氢原子钟。氢原子钟虽然质量和功耗比铷原子钟大,但稳定性和漂移率等指标更优。相对于铷原子钟,我国起步更晚,2015年我国研制的氢原子钟首次在轨应用验证,为北斗全球导航系统进行了技术探索,至今功能、性能十分稳定。星载氢原子钟的在轨应用,对于实现北斗导航定位“分秒不差”,发挥着重要作用。

  据中国航天科技集团五院介绍,北斗三号的服务能力较北斗二号拓展了10倍,在通信、电力、金融、测绘交通、渔业、农业、林业等领域,更多的人可以享受到北斗导航系统的普惠服务。

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  北斗大事记

  1

  1994年北斗一号系统工程立项。

  2

  2003年北斗一号系统建成,我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

  3

  2004年北斗二号卫星工程立项。

  4

  2009年12月北斗三号立项。

  5

  2012年成功建成国际上首个混合星座区域卫星导航系统,北斗卫星导航系统正式提供区域服务,北斗系统成为国际卫星导航系统四大服务商之一。

  6

  2018年12月27日,北斗三号基本系统正式向“一带一路”及全球提供基本导航服务,中国北斗距离全球组网的目标迈出了实质性的一步。

  7

  2019年12月底,全球系统核心星座部署完成,对北斗导航系统全球组网的顺利完成具有里程碑式重要意义。

  8

  2020年6月23日,第55颗北斗导航卫星成功发射,北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

  9

  未来计划2035年,以北斗系统为核心,建设完善更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系。

  另外,北斗卫星导航系统发展至今,也离不开兢兢业业运送每一颗北斗导航卫星上天的“北斗专列”——长征三号甲系列运载火箭。下面这张长图带你认识他们。

  另外,北斗卫星导航系统发展至今,也离不开兢兢业业运送每一颗北斗导航卫星上天的“北斗专列”——长征三号甲系列运载火箭。下面这张长图带你认识他们。