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北斗导航:标注当下决胜未来

来源:新华月报2017-12-20 作者:赵勋

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2017年10月12日,一名观众在“砥砺奋进的五年”大型成就展上体验北斗高精度导航驾驶。

卫星导航系统是大国强国的“标准配置”,也是其核心利益所在。作为我国空间信息基础设施、国家战略设施,北斗卫星导航系统使我国摆脱了对国外卫星导航系统的依赖,掌握了时空基准控制权、国际规则制定话语权,为国家安全和现代国防提供了战略保障。

北斗,是中国面对战略高科技艰苦探索、奋力追赶的一大杰作,是继“两弹一星”之后的又一战略工程。豪情万丈的北斗人团结协作、创新攻坚,用较短时间形成覆盖亚太地区的区域服务能力。从2017年下半年起,北斗系统开启全球组网大幕,预计年内发射6颗卫星,2020年前将完成30颗卫星发射,形成全球运行服务能力。

“我们不能生活在某一天因为某种理由GPS可能关闭的危险之下”

从古至今,人类一直在孜孜探求导航的技术。从早期的司南定向,到航海时代的星盘、六分仪、航海钟,再到现代无线电导航,直至近几十年,随着科学技术的进步,尤其是航天技术的发展,人类已进入卫星导航时代。

卫星导航系统简称GNSS系统,在全球GNSS俱乐部中一共有4位“VIP会员”:美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、欧盟的“伽利略”系统以及我国的北斗卫星导航系统。

GPS系统是最早建成并投入使用的。当GPS在欧洲开始推广应用时,欧洲空间局敏锐地意识到:“我们不能生活在某一天因为某种理由GPS可能关闭的危险之下。”由此,欧洲开始了建设“伽利略”卫星导航系统的漫漫征途。

的确,涉及国家安全的核心部位、核心数据、核心技术,绝不会凭空奉送,尤其是卫星导航系统更是如此。不管是发展经济还是维护国家安全,导航系统都具有越来越大的作用。

追赶世界高科技前沿,中国的起步其实并不晚。20世纪60年代,美国专为军队研制的一种子午仪卫星定位系统投入使用,这个系统就是GPS全球定位系统的前身,虽然在定位精度方面不尽如人意,但验证了由卫星系统进行定位的可行性。几乎在同一时段,中国开始了自己的卫星导航系统设计,取名为“灯塔”,但是受限于国家财力等原因,工程搁浅了。

1983年,“两弹一星”元勋陈芳允提出了双星定位设计方案。这在当时是公认的最优方案,科研人员开始积极立项论证,但也是出于种种原因,又搁置下来了。

1991年爆发的海湾战争使中国人警醒了,美军的GPS在作战中应用非常成功。高层领导深刻意识到,以后打仗没这东西是真的不行,双星定位方案终于启动。

1994年,美国完成GPS系统24颗卫星全部星座布局。这一年,党中央、国务院、中央军委作出独立自主研制北斗卫星导航系统的重大战略决策。意气风发的北斗人,从四面八方汇聚在一起,朝着一个共同的巅峰奋勇攀登。

基于我国国情,北斗建设者创造性提出“先区域、后全球,先有源、后无源”的建设思路,按照“三步走”发展战略推进,先建立双星定位试验系统,形成区域有源定位与导航服务能力;然后完成3种轨道10余颗卫星的发射,建成区域导航系统,形成区域无源服务能力,向亚太地区提供定位、导航、授时以及短报文通信服务;最后建成由3颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成、覆盖全球的北斗全球卫星导航系统,形成全球无源服务能力。

“频率是国家战略资源,要像捍卫国土一样捍卫频率资源”

对于卫星导航系统来说,导航频率资源是它的“生命线”,没有频率,卫星导航系统就无地“扎根”。

在卫星导航系统建设初始阶段,频率资源相对比较充沛,建设时间较早的GPS系统和GLONASS系统不存在频率资源的冲突问题。到了北斗系统和“伽利略”系统建设的时候,频率争夺战就非常明显了。

而当时“伽利略”系统提前申请了频率资源,并发射卫星占领了轨位。尽管后来欧洲出现经济危机,“伽利略”系统资金链断了,但根据国际电信联盟“先占先得”的规定,哪一个国家能够先把这颗卫星发射上去,并且向下发射这个频率的信号,以后这个频率资源就是它的了。这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。

北斗系统尚未开始研发,发达国家就已经将卫星导航频率瓜分得所剩无几。争夺频率资源是北斗系统建设面临的第一座大山。

作为北斗频率设计与国际协调首席专家,谭述森说:“频率是国家战略资源,要像捍卫国土一样捍卫频率资源。”谭述森以和平利用太空为依据,经过复杂的频率设计与周密的干扰仿真计算,创造性地提出了卫星导航频谱共用与兼容性评估准则。他的研究得到了国际导航频率协调专家的广泛认可,并且推动国际电信联盟制定了新的规则。经过与几十个国家300多次艰苦的谈判,“北斗”终于争取到了系统发展所必需的宝贵频率资源。

2007年4月17日,是北斗系统申报频率资源的最后期限,要求北斗试验星必须提前发射,这在我国航天史上是非常罕见的。

卫星发射通常只有延迟,没有提前,因为提前会带来一系列问题。为了争夺这个战略资源,经过各个部门的通力协作,截至4月14日,长征三号甲火箭完成所有准备工作,在西昌卫星发射中心等待发射。然而4月14日凌晨4点07分,现场又发现新的问题,火箭有一个连接器没有按照规定脱落,如果三分钟内不能解决这个问题,对火箭、卫星甚至发射场都将是灭顶之灾。

当时的发射指挥员在一分钟内下了7道指令,4点07分发现问题,火箭在4点11分带着北斗试验星成功升空。

4月14日发射北斗试验星,4月15日卫星实现变轨,4月16日卫星开始向下发送信号,在距离4月17日北斗申请的频率资源失效前24个小时内,中国正式启用了北斗申报的频率资源,标志着我国自主研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。

“我们自己的导航卫星一定要用我们自己研制的原子钟”

卫星导航的原理,简单来说,就是卫星对地面发送含有时间基准和位置基准的导航定位信息,用户接收机接收信号。因此,精确的时间基准和位置基准,就成了导航系统的关键。星载原子钟为卫星提供高稳定性的时间基准信号,正是由于它的极端重要性,有人将其比作是导航卫星的“心脏”。

要建设全球卫星导航系统,首先得有星载原子钟。我国在建设北斗之前,原子钟技术非常薄弱,原子钟产品全靠进口。进口钟不仅价格昂贵,而且关键技术掌握在别人手里,将使北斗系统潜伏巨大安全隐患。能否突破原子钟技术关乎北斗系统建设成败。北斗系统总师、“两弹一星”元勋孙家栋多次深入科研一线指导,他坚定地说:“我们自己的导航卫星一定要用我们自己研制的原子钟!”

2005年,203所交付了我国首批两台星载铷原子钟工程化初样鉴定机,标志着我国原子钟自主化迈出一大步。2007年我国自主研制的星载铷原子钟上天运行。

科技创新永无止境,奋斗拼搏永不停步。科研人员向更高的科技高峰不断攀登,让北斗成为世界上最精准最稳定的导航定位系统——15年的坚守与执著,他们为北斗系统交付的13个批次26台自主研制的原子钟,创造了所有批次零故障的运行记录,实现了卫星关键部件的自主可控。

目前,我国已完全掌握了星载原子钟的研制技术,并达到了世界一流水平,摆脱了国外导航原子钟的束缚,扭转了核心技术受制于人的被动局面,实现了从“跟跑者”到“领跑者”的转变。

“8万多人干了20多年,我们走了一条绝无仅有的路,别人都没走过的,我们走成了”

2014年3月8日,马航MH370失联,事件暴露出我国快速定位搜救能力不足,导航、定位与通讯功能结合的需求愈加凸显。2015年8月,美国在国际上提出建立航空器位置监视和搜救标准,要求各国使用“铱星(美国通信卫星)+GPS”的方案。不久,欧洲也宣布要实行“海事卫星+伽利略”的类似标准。

相比之下,中国的北斗,从北斗一代开始就独具一格,具备定位和通信功能。北斗一代集定位、通信和授时三大功能于一体,丰富拓展了世界卫星导航理论实践,使我国仅用两颗卫星和地面高程数据库就实现了国土及周边地区的定位服务。而北斗二代独有的有源定位和短信服务,超越了常规卫星导航的发展思路,开辟了国际卫星导航新的发展方向。

在这项“功在当代,利在千秋”的国家战略工程建设中,全国300多家单位、8万余名科技人员接力奋进、协同攻关。“北斗是8万多人干了20多年,我们走了一条绝无仅有的路,别人都没走过的,我们走成了。”北斗二号总设计师助理郭树人说。

作为我国战略性新兴产业,北斗已成为助推我国经济发展的强力引擎。随着北斗芯片及终端的小型化、低成本等技术的发展和车联网、物联网等产业快速兴起,北斗系统与大数据、云计算、移动互联网等信息技术融合发展,北斗导航产品正全面走向大众化应用,“高大上”的北斗系统与普通百姓的生活越来越紧密联系起来。

走出国门,北斗系统免费向亚太地区提供公开服务,定位精度优于10米,测速精度优于0.2米/秒,授时精度优于50纳秒,其定位精度等技术参数与GPS民用信号相当。贡献中国智慧,彰显中国担当,北斗正在获得越来越多国家和国际组织的认可,成为一张闪亮的“中国名片”。

在不得不说的军事领域,北斗应用的战略意义非凡。作为精确武器制导和未来联合作战的关键技术保障,北斗系统确保了国家重要战略平台可靠的任务执行能力。在导弹制导方面,北斗系统可作用于机动式弹道导弹、远程巡航导弹、战略轰炸机及弹道导弹核潜艇等全程或某些特殊时刻的精确定位与位置校准。对于固定目标的打击,导弹可以根据北斗提供的坐标自动寻找和精准打击目标。而在联合作战方面,北斗系统能够为所有陆上突击力量、海上打击平台、空中作战单元,以及所有参战人员提供导航和定位,通过数据链系统将它们全部联合于一体,实现海陆空全谱系联合作战——北斗正在为我们构筑和开拓一个全新的战略边疆。

北斗的发展和应用,赢得了市场认可,得到了大众认同;反过来,市场的巨大推动力量,也在再塑北斗的未来。2015年4月,在莫斯科举行的第九届国际导航论坛上,俄罗斯导航产业界的领袖们在探讨全球四大导航系统发展水平时,一致把中国北斗排在俄罗斯GLONASS系统和欧盟“伽俐略”系统之前。北斗排名从第四上升到第二,不断爆发出后发优势。

星参北斗,位联全球。2017年下半年,北斗全球组网拉开大幕,计划2018年前后完成约18颗卫星发射,率先为“一带一路”沿线国家提供服务;2020年前后形成全球服务能力,建成世界一流的全球卫星导航系统。北斗将在万物互联时代迸发无限的可能,成为助推中国复兴腾飞的强劲动力。

(摘自《国防参考》2017年第19-20期)

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