北斗，爭當天上最亮的“星”（逐夢·十年奮進路）

 

北斗衛星導航系統模型。

 

新華社記者 林善傳攝

 

 

2020年6月23日，中國北斗三號全球衛星導航系統最後一顆組網衛星在西昌衛星發射中心點火升空。

 

新華社記者 江宏景攝

 

2020年6月23日9時43分，西昌衛星發射中心發射場“轟”的一聲巨響，一枚 “長三乙”運載火箭冉冉升起，將北斗衛星導航系統第五十五顆衛星，也是北斗三號最後一顆全球組網衛星送上太空。至此，北斗三號全球衛星導航系統星座部署全面完成，比原計劃提前半年。

 

完美收官，星耀全球。北斗衛星導航系統終於邁入全球時代！

 

為了這一天，北斗人奮鬥了二十六年。為了這一天，國家組織千軍萬馬，北斗人克服千難萬險、歷經千辛萬苦。現在，北斗終於開始走進千家萬戶、造福韆鞦萬代。聽到這個消息，北斗人所有的艱辛與付出，都化作了欣慰：“這輩子能參與北斗衛星導航系統建設，是人生的幸運與幸福！”

 

一

 

2015年3月30日晚，一枚“長三丙”運載火箭劃破西昌衛星發射中心沉寂的夜色，帶著美麗的尾焰直刺星光閃爍的夜空，將肩負北斗全球衛星導航系統重大核心關鍵技術試驗任務的第十七顆北斗衛星送入預定軌道。

 

“太陽能帆板順利打開”的消息傳來，發射指揮大廳裏一片歡騰，記者們開始現場採訪。一名記者走到時任北斗衛星導航系統總設計師助理、工程總體室主任的郭樹人面前。

 

“北斗二號啟動已經滿十年了，這十年，您最大的欣慰是什麼？”記者問道。

 

郭樹人答道：“通過不計其數的計算、論證設計出的方案，終於得到肯定，取得統一意見。”

 

在科研工作中，常常會有不同的意見和看法。郭樹人作為工程總體室主任，主要任務之一就是通過積極協調，統一大家的意見。

 

建設北斗衛星導航系統，需要在太空布設數十顆北斗衛星。首先需要解決的問題，就是這些衛星採用什麼樣的星座結構。

 

GPS導航衛星全部採用距離地球兩萬千米左右的中地球軌道衛星（MEO）。但北斗衛星星座設計團隊帶頭人許其鳳帶領團隊對其覆蓋性、性價比、管理模式進行細緻分析、深入測算後，發現它根本不適合北斗二號區域衛星導航系統。團隊根據北斗導航“三步走”戰略特點，通過縝密推演、細緻計算，在國際上首次將距離地球三萬六千千米的地球靜止軌道衛星（GEO）、傾斜地球同步軌道衛星（IGSO）運用於衛星導航，設計了世界上第一個“GEO+IGSO+MEO”混合星座。

 

郭樹人帶領總體團隊，通過計算、論證，認為混合星座對亞太地區覆蓋率高，投入性價比高，建設速度快，技術風險小，而且見效快、易管理，完全符合區域系統特點，並能夠給未來的全球系統建設準備廣闊空間。

 

但這一創舉與用戶部門、研製部門的意見大相徑庭，遭到不少反對。

 

為了統一內部意見，北斗衛星導航工程領導小組和總設計師系統（以下簡稱北斗“兩總”）把各系統專家召集到航天城協作樓，進行集中討論。大會小會不下百次，郭樹人也先後一百多次上臺解答各種疑問，大家依然存在分歧。

 

各系統專家大多是各科技領域的名家，其中不少是“兩院”院士。而郭樹人當年只有三十多歲，是年輕後輩，他帶著團隊大會解惑、小會釋疑、個別溝通。一次不行，兩次；兩次不行，三次；三次不行，四次……不厭其煩、反反復復從各個角度用客觀的數據回答各種疑問，終於使大家基本接受了“混合星座”方案。

 

郭樹人説：“大家都是為北斗好。每個人看問題的角度不同，我的任務就是把大家的意見統一起來。”

 

“GEO+IGSO+MEO”混合星座是中國首創，被外國學者稱為“中國星座”。

 

事實證明，“GEO+IGSO+MEO”混合星座非常適合北斗衛星導航系統特點，為北斗導航確保“中國特色”、躋身世界一流奠定了堅實基礎。

 

二

 

星座模式好不容易確定下來，尋找北斗衛星向地面發射信號的頻率又遭遇“寒冬”。

 

太空茫茫，無邊無際，但它並不是一片任人類信馬由韁、肆意馳騁的無邊草原，而是一條條“狹路”。比如衛星導航頻率，可供人類使用的無線電頻譜非常有限，而且其中絕大部分已被航天強國搶佔。

 

北斗二號2004年立項時，只有一段頻率可用於導航衛星通信。中國北斗、歐盟伽利略同時申報了該段頻率使用權。按照國際電信聯盟規則，誰先把衛星發射升空並在地面收到衛星信號，誰就能優先使用該頻率。國際電信聯盟同時規定，自申報之日起，必須在七年內使用頻率，逾期視為自動放棄。

 

這時，歐盟伽利略衛星導航已經進入衛星發射階段，而北斗的申報時間已經過去四年。這意味著三年內中國必須把北斗衛星發射升空，並搶在歐盟伽利略之前在地面收到衛星發回的信號，北斗衛星導航建設才能贏得主動權。否則，北斗衛星導航建設將處處受制於人，甚至面臨夭折的風險。

 

能否打贏這場頻率爭奪戰，關鍵在於能否儘快研製出北斗衛星。而這時，進口核心關鍵技術設備星載銣鐘談判又宣告失敗。

 

銣鐘作為導航衛星的頻率基準，直接決定著導航衛星定位、測距、授時的精度，是整個導航衛星的“心臟”。

 

北斗“兩總”緊急佈局國産星載銣鐘研製，組建研製團隊，對星載銣鐘這個衛星導航領域的技術制高點發起了頑強的攻勢。

 

在銣鐘研製過程中，中國空間技術研究院時頻基準類産品首席專家賀玉玲和她的團隊功不可沒。

 

曾有銣鐘研究領域的前輩説過：“銣鐘的研製是一項耗費生命的事業。”這不僅指它的難度，還指研製它需要花費的時間。就拿銣鐘穩定指標的測試來説，要得到一次測量值，需要連續監測十六天，這期間任何異常都會影響測試指標。賀玉玲每天上班第一件事及下班最後一件事，一定是去實驗室看測試數據，認真檢查各個遙測數據、檢查各個儀器設備的運行情況、維護鐘房的穩定運行。星載銣鐘的精度相對於地面産品提升了約三個量級，這就決定了必須充分考慮各個部組件的細微差異，通過整機的精細調整使産品性能最優。整機每調試一個參數，都需要放到真空罐裏測試較長時間才能看到結果。銣鐘研製隊伍裏的人常説：“我把這個調完再走，這樣明天就能看到數據了。”但等到調完、測好、再多觀察一會兒，走出樓門時早已夜深。

 

為讓“慢性子”的星載銣鐘研製跑出快節奏、高效率，他們只能“以百米衝刺的速度跑完一個馬拉松”。

 

連續九個月，團隊全體成員平均加班八百多個小時，沒有休息一天。他們提前一年拿出星載銣鐘正樣産品。

 

這是中國航天史上的第一個高性能星載銣鐘！

 

核心關鍵技術突破後，北斗衛星研製順風順水，很快研製完成。

 

2007年4月14日4時11分，隨著指揮員一聲“點火”命令，托舉北斗二號首星的“長三甲”運載火箭，在驚天動地的轟隆聲中，孔雀開屏般綻放出美麗的尾焰，扶搖直上，飛向蒼穹，漸漸融入黎明前漆黑的夜色……

 

4月17日20時，十多臺地面接收機相繼收到太空傳過來的衛星信號，而且非常清晰！

 

這一刻，離“七年期限”截止時間只有四小時！

 

中國北斗成功佔據最後一段衛星導航頻率使用主動權，標誌著中國北斗衛星導航建設終於突出重圍，完全擺脫了受制於人的被動局面。

 

在此後五年多時間裏，北斗人先後將十六顆北斗導航衛星送上藍天。

 

2012年12月27日，中國向世界宣告：北斗二號正式向亞太地區開通運行服務！

 

三

 

北斗二號勝利開通後，北斗人立刻向北斗三號進軍。有人為中國北斗的前途擔心：覆蓋國土的北斗一號和覆蓋亞太地區的北斗二號，對於中國來説不成問題，但覆蓋全球的北斗三號就有些麻煩了。

 

北斗衛星導航從覆蓋亞太到覆蓋全球這一步，的確太難走！

 

作為全球衛星導航系統，不僅需要在太空布設數十顆衛星，同時要在地球上各個地區建設眾多的地面站點。如GPS，就在全球各地建了眾多地面站。但中國難以在全球布設站點，建不成“地網”。這是北斗衛星導航由區域向全球拓展面臨的首要亦是最大障礙。

 

不能在世界各地建設地面站點，北斗全球系統就不建了嗎？

 

北斗人通過艱苦探索，開創性設計出無須在亞太以外地區建設地面站點的星間鏈路方案。星間鏈路是航天器與航天器、航天器與地面站之間具有數據傳輸和測距功能的無線鏈路。即在星星之間、星地之間，織成一個“天羅地網”。

 

信息天路串並聯，從此天塹變通途。

 

星間鏈路，是典型的中國特色、北斗絕技！

 

但星間鏈路工程實現難度非常大：不僅測量距離、信息傳輸量增加了一個數量級，而且衛星以每秒七八公里的速度運行，要相互對準難度本來就很大，相隔幾萬公里的衛星之間要實現釐米級距離測量，更是難上加難。

 

為此，國內多個優勢單位集成攻關，其中就有某研究院空間儀器工程團隊。

 

接到任務安排後，空間儀器工程團隊的郭熙業風塵僕僕地前往成都中電集團某研究所，開始投身星間鏈路攻堅戰。

 

攻關難度超常，而完成任務還不能超時。郭熙業給自己定下了一個雷打不動的規矩：每週工作七天，每天十六個小時；攻關遇到問題，不解決不下班；工作時間手機關機。而實際情況是，幾乎每天都會遇到難題，幾乎每月要熬十個通宵。

 

郭熙業的項目攻關完成一個階段後，上級前來檢查。看了他們的星間鏈路模擬演示後，孫家棟總設計師説：“你們要繼續加強攻關，把一個個未知難題搞清楚，並進行充分驗證，確保在工程建設中好用、管用。”

 

孫家棟總設計師對他們前期工作的充分肯定和鼓勵，讓這個三十齣頭的小夥子感到萬分激動，也更加信心十足。

 

星間鏈路設備比測開始了。參加比測的幾家單位，都拿出自己精心生産調試的設備進行對抗式演示。讓郭熙業沒想到的是，第一場比測，他們竟然輸了！

 

怎麼會這樣？郭熙業連續一週幾乎不眠不休，仔細梳理系統設計方案，檢測每個設備的技術狀態，終於找到問題的癥結所在。至於如何解決問題，他面臨兩種選擇：一是在原方案上打補丁，堵住漏洞，提升設備性能；二是推翻原有方案，另起爐灶，設計新的演算法。前者實現容易，但性能提升空間有限；後者前景廣闊，但推倒重來需要耗時半年，而距離下一場比測只有一個月時間！

 

郭熙業毫不猶豫地選擇了後者，用一個月幹完了原本需要半年才能完成的任務。

 

第二場比測，郭熙業的設備研製團隊反敗為勝，而且設備性能指標大幅躍升。

 

但郭熙業沒有鬆勁，他帶領團隊繼續加班加點，完善改進設備，在第三場比測中，他們以絕對優勢穩佔鰲頭。

 

比測工作後，又開展了大量的體制優化設計、星地試驗驗證工作，才最終突破了關鍵技術，實現了有關技術性能的一系列跨越：主要技術指標提升了數十倍；溫度控制性能比原計劃提高一倍；測距精度相當於能看到兩千公里外的一根頭髮絲！

 

四

 

星間鏈路技術的突破，對於北斗三號衛星研製來説，只是萬里長征邁出一大步。北斗三號衛星導航系統覆蓋面比北斗二號更寬，不僅要求組網衛星數量更多，而且衛星技術性能要實現全面飛躍。

 

以林寶軍為總設計師的上海微小衛星工程中心北斗衛星團隊，為讓新一代北斗衛星“有靈魂”“會思考”，在國內第一次給衛星設計了一項“看家本領”——在軌賦能：讓天上的衛星“有錯能改”“有病自治”“功能刷新”。

 

哪知林寶軍帶領團隊曆盡坎坷才完成的衛星在軌賦能設備，到衛星載荷生産單位聯繫生産時，卻遇到了不小阻力。有人説在軌賦能簡直是“異想天開”，是“瞎折騰”。

 

以往國內做衛星，都是走先分系統再組合的研製模式。這種“拼圖”式組合，使同一學科功能在分系統中重復出現，每個系統需要兩三台計算機，整顆星的計算機多達二十多臺，帶來了星載大、故障多、能耗高等一系列弊端。

 

林寶軍帶領團隊大膽打破傳統的分系統模式，走“功能鏈”設計，合併各分系統中的學科功能“同類項”，將整星研製分為有效載荷、結構熱、電子學和姿軌控等四條功能鏈，砍掉了六個分系統，把過去的二十四台計算機，變魔術般濃縮為一台。星載計算機的重量、故障率、能耗等，幾乎呈幾何級減少，從前幾噸重的衛星一下子“瘦身”到一噸左右！

 

按衛星研製的慣例，衛星外形一般選用正方體，飛行姿態採用“豎著飛”。如果照這個老思路設計新一代北斗導航衛星，散熱問題就非常棘手：新一代北斗衛星功能要求非常高，功率也水漲船高，採用正方體外形，根本無法解決散熱問題。

 

林寶軍帶領團隊經過深入計算、反復驗證，創造性地將衛星正方體外形改為長方體設計，把“豎著飛”變成“橫著飛”。這樣一來，衛星幾個面表面積有所不同，讓較小的面對著太陽，較大的面作為散熱面，有效減少熱輻射並提高散熱速度；“橫著飛”則把表面積最大的面作為對地面，使衛星裝載更多導航天線，以提高衛星信號發送、接收效率。

 

新一代北斗導航衛星，終於以嶄新的容顏展現在大家面前。見過它的人，無一不被它的“美麗”所吸引：“衛星居然還能做得這麼漂亮啊，簡直就是一位身段苗條的‘飛天仙子’！”

 

2017年11月5日19時45分，隨著指揮員一聲“點火”命令，“長三乙”運載火箭瞬間變身為一隻火鳳凰，展開絢爛的尾翼，牽手北斗三號第一、二顆組網衛星扶搖直上，將它們準確送入工作軌道。

 

這之後，北斗人將三十顆北斗導航衛星送上藍天。在組網最密集階段，平均半個月發射一次衛星，而且百分之八十採用“一箭雙星”發射模式，發射成功率百分之百，創造了世界航天的“中國速度”。

 

北斗三號全球衛星導航系統，總體水準與GPS旗鼓相當，星間鏈路等多項技術處於國際領先水準，並擁有短報文通信這一北斗特色功能。

 

目前，中國北斗向全球用戶提供定位精度優於十米、測速精度優於零點二米每秒、授時精度優於二十納秒的免費服務，成功運用於交通運輸、災害監測、精細農業、土地規劃等人類生活的方方面面，真正實現了“中國的北斗、世界的北斗、一流的北斗”“走進千家萬戶、造福韆鞦萬代”的建設目標。

 

北斗衛星導航基本系統雖然全面建成和應用，但對於中國衛星導航發展事業來説，這只是一個階段性勝利，繼續完善、提升系統性能及推廣應用的任務，依然非常艱巨。對於2035年前建成以北斗系統為核心的，更加泛在、更加融合、更加智慧的國家綜合定位導航授時（PNT）體系這一宏偉目標，北斗人深感使命崇高，任重如山！

 

到那時，北斗無疑是世界衛星導航這片璀璨星空上最明亮、最耀眼的星星！（龔盛輝）

 

版式設計：沈亦伶