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交彙點訊 随着北鬥三号GEO-3衛星的成功發射，我國(guó)北鬥衛星導航系統建設項目圓滿完成，星陣已列，全球“天網”成功織就，今後“北鬥三号”将給我們的生活帶來哪些改變？前後經過30多(duō)年的實踐探索，我國(guó)為(wèi)何對于“北鬥”系統的建設如此執着？媒體(tǐ)采訪了南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院的聞新(xīn)教授和康國(guó)華教授，一起探秘北鬥的前行之路。
你早就用(yòng)上了北鬥，隻是你可(kě)能(néng)不知道——
很(hěn)多(duō)人知道我國(guó)發射了北鬥衛星，卻不清楚北鬥早已經提供給人民(mín)使用(yòng)，并向全世界開放。
如果你留心觀察，不難發現，你的智能(néng)手機總是能(néng)夠精(jīng)準報時，幾乎不會像手表那樣，偶爾會“走快了”或是“走慢了”，幫助你“對表”的，正是北鬥衛星導航系統。
南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院教授康國(guó)華告訴記者，“北鬥”不僅僅是發射到天空的一顆顆衛星，而是一個龐大的系統工程。看似遙不可(kě)及，其實與我們的生活息息相關。“從上個世紀80年代開始，全世界都一直在用(yòng)美國(guó)的GPS。有了北鬥系統後，GPS在全球衛星定位領域的絕對主導地位受到了挑戰，現在我們大部分(fēn)手機都已開始采用(yòng)北鬥導航系統。”
他(tā)拿(ná)出自己的手機，給記者演示了手機APP所顯示的衛星天頂圖，圖中顯示了全球四大衛星導航系統各自衛星在當地天頂上運動的情況，他(tā)們分(fēn)别是美國(guó)的全球導航定位系統（GPS），俄羅斯的格洛納斯系統（GLONASS）、歐盟的伽利略系統（Galileo），還有中國(guó)的北鬥系統。“其中彩色的能(néng)收到信号的在軌衛星，而黑白的則是暫時收不到信号。“
北鬥衛星每一顆重850KG，載荷重量：300Kg，承載着三項功能(néng)——定位、授時和短報文(wén)。康國(guó)華說，定位是導航的基礎，導航是定位的應用(yòng)；定位是“告訴你在哪”，導航是“告訴你如何從現在所處的位置，去你想要去的地方”。
授時，顧名思義就是“給出準确的時間”，對一些儀器設備來說就是進行時間的校準，隻要用(yòng)了北鬥授時功能(néng)，即使分(fēn)布在全球不同地方，依然可(kě)以保持時間的“同步”。康國(guó)華告訴記者，時間同步是一個國(guó)家安(ān)全的保障，如高鐵、電(diàn)網、計算機網絡通信等等，都需要時間同步。如高鐵準時發車(chē)、按時到站、安(ān)全交會等，都需要有“同步時間”作(zuò)為(wèi)基準。比如依靠北鬥的精(jīng)準定位，高鐵從時速350公裏一次制動到停車(chē)，最後停準誤差能(néng)控制在10厘米之内。
短報文(wén)則是中國(guó)北鬥的獨有特色，與GPS接收機隻能(néng)單向接收衛星信号不同，北鬥接收機不僅可(kě)以實現定位，而且可(kě)以類似手機收發短信，通過衛星進行雙向的文(wén)字信息傳遞。
在2008年的汶川地震救援中，當時地面通信設施遭到嚴重破壞，甚至癱瘓，救援部隊利用(yòng)北鬥短報文(wén)，發出了來自災區(qū)的第一條信息，将災情和受災位置準确地報告給救災搶險指揮部，發揮了巨大作(zuò)用(yòng)。而當時“北鬥一号”的精(jīng)度其實還不夠高，其雙向通訊功能(néng)已經大顯神通,挽救生命難以計數。
“鬥轉星移”，20多(duō)年織就一張“天網”
逐夢“北鬥星”的背後是幾代人的接力奮鬥，從無到有，從弱到強，“北鬥”星光日漸耀眼。
南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院聞新(xīn)教授告訴記者，國(guó)人關于北鬥衛星導航系統的設想，可(kě)以追溯到1983年。著名航天專家陳芳允院士首次提出雙星定位的概念和設想。
“給北鬥衛星導航系統定下三步發展規劃的總設計師則是我國(guó)‘兩彈一星‘元勳孫家棟。”聞新(xīn)介紹，1994年我國(guó)啓動了北鬥衛星導航試驗系統建設，即為(wèi)“北鬥一代”，第二步則是在2004年，啓動北鬥衛星導航系統建設，2012年形成區(qū)域無源服務(wù)能(néng)力。而第三步正是在今年，形成全球無源服務(wù)能(néng)力。“從2007年到2010年，一顆顆組網衛星不斷發射升空，在天空中‘織’出了一張信息網。”
由于“北鬥一代”采用(yòng)的是雙星定位方法，所以“北鬥一代”在定位精(jīng)度、授時精(jīng)度、服務(wù)區(qū)域等方面都有不小(xiǎo)的提升空間，特别是信号傳輸延時大等問題。”聞新(xīn)舉例，“北鬥一代”的定位精(jīng)度是水平20米，這也就意味着，距離小(xiǎo)于20米的兩個物(wù)體(tǐ)，“北鬥一代”是無法從遙遠(yuǎn)的太空“看清”并且計算出它們的位置差别。
康國(guó)華介紹，目前我們的手機裏一般還是集成了兩三個甚至四個國(guó)家的衛星系統。“為(wèi)什麽我們不單獨用(yòng)中國(guó)的北鬥系統？因為(wèi)北鬥二号系統着重覆蓋亞太地區(qū)，在全球其他(tā)地區(qū)的服務(wù)還不是很(hěn)穩定。”
康國(guó)華把北鬥衛星的多(duō)次發射比作(zuò)“拼圖”， 北鬥一号是試驗星，隻有4顆，僅在我們中國(guó)的上空，目前已經全部退役；之後的北鬥二号是區(qū)域組網衛星，覆蓋亞太地區(qū)共20顆衛星。“北鬥三号”衛星導航系統空間段由27顆中地球軌道衛星、5顆同步軌道衛星、3顆傾斜同步軌道衛星組成，共計35顆星。
從北鬥二号首顆星起算，我國(guó)已發射54顆北鬥導航衛星，從6月開始已經正式入網工作(zuò)。而6月23日發射的最後一顆組網衛星，便是整個北鬥衛星導航系統中的第55顆。
康國(guó)華說，盡管此次我們發射的是拼圖中最後一顆星，但其實北鬥系統中的衛星一直都在更替當中，“每一顆衛星都是有壽命，平均大概8—10年需要退役，北鬥三代建設以來，已經有不少衛星退役和新(xīn)增。 最後第55顆星的意義，是讓北鬥系統真正成為(wèi)全球的北鬥，在地球任何一個地方都可(kě)以用(yòng)北鬥來定位。”
最亮的中國(guó)星，讓天上的星星“參北鬥”
中國(guó)航天人對于“北鬥”衛星的執着，意義何在？
作(zuò)為(wèi)國(guó)之重器，北鬥是我國(guó)重大空間基礎設施，以建設我國(guó)時空基準網和導航信息網為(wèi)目标，是我大國(guó)地位和戰略利益的重要支撐。“可(kě)以說，越早建設，就越由占據戰略的優勢。”康國(guó)華舉例說，”衛星定位需要從天上發射特定頻點的無線(xiàn)電(diàn)波到地面，由于隻有特定頻點電(diàn)磁波穿透大氣過程中出現衰減最少，因此這些頻點就成為(wèi)重要的戰略資源”，根據當前國(guó)際電(diàn)聯對頻點分(fēn)配采取“先占先得”的規則，美國(guó)由于最早建設GPS，因此選擇的頻段是最優的。
衛星導航的競争不僅是是技(jì )術體(tǐ)制的競争，同時也是星座與信号的競争。中國(guó)與歐洲、美國(guó)就衛星頻點和軌位問題經曆了多(duō)年的協調工作(zuò)，甚至“明争暗鬥”，背後充滿了大國(guó)航天的“博弈”。
北鬥二号導航系統就曾經曆了這樣的緊迫時間。按照國(guó)際電(diàn)聯的相關規定，北鬥二号導航系統必須在七年之内完成衛星導航信号在軌向地面發播，否則就取消導航頻率的優先使用(yòng)權，需要重新(xīn)申請頻率和開展相關國(guó)際協調，如此一來，我國(guó)将失去了發展全球衛星導航系統的最佳機會。
面對緊迫的研制任務(wù)，南京航空航天大學(xué)校友、時任北鬥二号衛星副總設計師的陳忠貴帶領黨員突擊隊，改進集成測試驗證方法，一周“5+2”、每天“白+黑”，奮戰8個月。2007年4月16日，在成功發射的兩天後，北京從飛行試驗星獲得清晰信号，此時距離空間頻率失效僅剩下不到4個小(xiǎo)時——正是這次壯舉，有效地保護了我國(guó)衛星導航系統的頻率資源，拉開了北鬥區(qū)域導航系統建設的序幕。
“如今，北鬥三号”全球衛星導航系統的成功組網，标志(zhì)着我國(guó)在衛星導航系統領域，有了和美國(guó)GPS導航系統實力PK的“資本。北鬥不僅是一項國(guó)家工程，也是民(mín)族工程。‘北鬥’有着多(duō)個‘第一次’。”聞新(xīn)列舉，北鬥衛星導航系統第一次采用(yòng)了三種軌道（GEO、IGSO、MEO）的混合星座的體(tǐ)制；第一次達到元器件100%國(guó)産化要求；第一次提出合作(zuò)與兼容……這些都讓中國(guó)的航空航天和衛星監測技(jì )術在世界上更有底氣。
比如作(zuò)為(wèi)導航衛星“心髒”的星載原子鍾，在中國(guó)曾經一度是技(jì )術空白。而無線(xiàn)電(diàn)波傳遞和接收有一個時間差，時間差乘以光速就是距離，隻要誤差一秒(miǎo)，那麽距離就會相差30萬公裏。 在北鬥二号研制時，曾引進過瑞士一家公司，但後來歐盟要求該公司提供的原子鍾要比“伽利略”導航系統低一個數量級的精(jīng)度，這讓陳忠貴及設計團隊更深刻認識到“關鍵核心技(jì )術買不來、要不來、讨不來”。
如今，我國(guó)已經攻克了铷原子鍾、氫原子鍾的關鍵技(jì )術，并在北鬥導航衛星上使用(yòng)了這兩種原子鍾搭配來實現時間基準的建立。其中， 星載铷原子鍾實現了元器件100%國(guó)産化，目前的精(jīng)度可(kě)達到300萬年誤差僅為(wèi)1秒(miǎo)，被動型星載氫原子鍾，1000萬年才誤差1秒(miǎo)。
目前，北鬥三号衛星在定位服務(wù)、廣域增強服務(wù)、全球短報文(wén)服務(wù)、搜索救援服務(wù)等方面都形成了鮮明的北鬥特色，并在系統信号性能(néng)、系統傳輸和測距性能(néng)、星載原子鍾性能(néng)、關鍵産品和元器件國(guó)産化等方面實現了對國(guó)外技(jì )術的局部領先。在南京航天航天大學(xué)校友總師思政公開課上，陳忠貴就充滿自信地指出，“北鬥三号系統的核心就是以更高精(jīng)準，更高性能(néng)服務(wù)全球”，讓中國(guó)的北鬥也是世界的北鬥！”
“北鬥+”時代開啓， 既要天上好用(yòng)，也要地上用(yòng)好
北鬥全球組網後，具有定位、授時和短報文(wén)服務(wù)的北鬥系統融入老百姓生活的速度會加快。“北鬥+”生活将加速來臨。
“它将會成為(wèi)像類似于像水網、電(diàn)網一樣基礎設施，日常生活再也離不開它；如你點一個外賣、叫一輛網約車(chē)，都需要用(yòng)到衛星定位确定你當前的位置。” 康國(guó)華說，但接下來，北鬥還要解決可(kě)靠性、精(jīng)度、穩定性等各方面的問題。
“北鬥現在最大的問題是應用(yòng)推廣。”康國(guó)華說，畢竟GPS比我們早發展了20多(duō)年，用(yòng)戶使用(yòng)具有了粘性和慣性；以手機為(wèi)例，将GPS芯片換成北鬥芯片，就要增加很(hěn)多(duō)而外成本，商家就沒有動力去更換；因此在一些GPS應用(yòng)的本來就成熟的領域，替換北鬥往往會遇到比較大的阻力。但北鬥隻有用(yòng)的人越多(duō)，成本才會越低，叠代改進速度越快，形成正反饋。
康國(guó)華教授目前帶領團隊開展的“低軌衛星導航增強”研究就與北鬥的推廣應用(yòng)有關。“如果我們把北鬥系統比做高速公路一樣的主幹網，它能(néng)提供優于10米定位精(jīng)度；那我們工作(zuò)就類似于在修‘省道’，在這個骨幹網基礎上，進一步提高精(jīng)度”。
康國(guó)華舉例子說，當你在城市樓宇間穿梭時，由于樓宇形成的“峽谷”效應，你能(néng)看到的天很(hěn)小(xiǎo)，因此接收到衛星的信号少且弱。而低軌導航增強系統，就是在北鬥星座下方再增加一層低軌星座，利用(yòng)低軌衛星上的導航增強系統實現北鬥信号增強和播發，從而提高信号的強度，将原來北鬥道路級定位提升為(wèi)車(chē)道級定位。以前我們可(kě)以知道人在哪，現在我還要知道你是邁出了左腳還是右腳。”康國(guó)華說。目前日本有一個“準天頂”衛星系統也具有類似的功能(néng)，但他(tā)們是基于GPS來做的，而我們團隊是基于自己北鬥系統來研究的。
未來，北鬥衛星導航系統在陸地、海洋、航空航天、大衆消費等多(duō)個領域都有着廣泛的應用(yòng)。“舉例，海洋漁業中，船隻的導航、漁業綜合信息服務(wù)網絡的建立，都離不開北鬥系統的定位信号。”聞新(xīn)介紹說，在交通運輸領域，先進的衛星導航技(jì )術應用(yòng)是實現交通運輸信息化和現代化的重要手段，對建立暢通、高效、安(ān)全、綠色的現代交通運輸體(tǐ)系具有十分(fēn)重要的意義。”
記者了解到，北鬥系統在我國(guó)的多(duō)個領域已經開始應用(yòng)。如基于北鬥系統的水文(wén)監測系統，實現了水文(wén)水情信息的實時傳輸，大大提高了雨情、水情、旱情和災情信息采集的準确性及傳輸的時效性。已在我國(guó)陝南地區(qū)、長(cháng)江流域、黃河流域，獲得了廣泛應用(yòng)，用(yòng)戶數量達到4000多(duō)個。“在氣象預報領域，經過多(duō)年氣象數字報文(wén)傳輸應用(yòng)實驗，科(kē)研工作(zuò)者研制的系列氣象預報型北鬥終端設備和系統應用(yòng)解決方案，解決了國(guó)家氣象局和各地市氣象中心的氣象站數字報文(wén)自動傳輸彙集、氣象站地圖分(fēn)布可(kě)視化顯示功能(néng)。目前，在氣象領域的北鬥應用(yòng)終端已經達數千台。”
微鏈接——“北鬥三号”總師“南航造”
“北鬥三号”和江蘇還有一層親切的聯系，它的總設計師陳忠貴是南京航空航天大學(xué)86級校友。
“仰望星空，托起探索宇宙志(zhì)向。努力拼搏，實現航天強國(guó)夢想。”在今年第五個“中國(guó)航天日”和“東方紅一号”衛星成功發射50周年的日子裏，陳忠貴為(wèi)母校學(xué)子深情寄語。
陳忠貴畢業後到航天五院工作(zuò)已有31個年頭，其中有20年都在從事與北鬥相關的工作(zuò)。北鬥衛星導航系統從無到有，從弱變強，從區(qū)域到全球，他(tā)見證了8萬北鬥人夜以繼日、嘔心瀝血的攻關與奉獻。
2018年12月，陳忠貴曾回到南航校園，為(wèi)同學(xué)們帶來了一場震撼的校友總師思政公開課《北鬥導航衛星》。本科(kē)原是學(xué)礦山機械的陳忠貴，出于對航空航天夢的向往，在工作(zuò)幾年後辭去了工作(zuò)，選擇報考了南京航空學(xué)院（南京航空航天大學(xué)前身）的數理(lǐ)力學(xué)專業，師從朱明教授從事多(duō)體(tǐ)動力學(xué)研究。
“南航的學(xué)風非常嚴格，尤其是專業基礎課程的要求特别高，考試不含糊。”這是陳忠貴回憶讀研學(xué)習生活時印象最深的事情。他(tā)還記得自動控制這門課程，“考試成績不理(lǐ)想，老師還會找學(xué)生談話，幫助學(xué)生分(fēn)析原因，舉一反三。”正是有這樣的嚴謹學(xué)風與潛心育人的專業教師，陳忠貴在讀研期間及時彌補了專業基礎的差距，為(wèi)後期的工作(zuò)發展奠定了根基。
在朱明老師的指導下，陳忠貴将研究生畢業論文(wén)瞄準多(duō)體(tǐ)動力學(xué)新(xīn)型建模理(lǐ)論和分(fēn)析軟件開發方向。在畢業論文(wén)撰寫過程中，他(tā)有了更多(duō)機會接觸航天這個領域，而在當時，航天最缺的也正是從事動力學(xué)、熱學(xué)等基礎學(xué)科(kē)研究的專業人才。正是這樣的機緣，陳忠貴“天然地”與航天形成了默契的關聯，畢業後毅然選擇了航天五院，這個他(tā)孜孜以求、熱愛不已的領域。
在給南航學(xué)生上的公開課中，陳忠貴全面回顧我國(guó)北鬥衛星導航從一号至三号的發展曆程，系統講述了我國(guó)在衛星導航系統領域的技(jì )術沿革與重大創新(xīn)成果。如今北鬥衛星導航系統實現了組成衛星的單機産品100%國(guó)産化，核心元器件全部實現國(guó)産化，成為(wèi)了繼美國(guó)GPS、俄羅斯格洛納斯系統、歐洲伽利略系統之後第四個成熟的衛星導航系統。
相較于北鬥二号，北鬥三号要求的功能(néng)更全、指标更多(duō)、可(kě)靠性更高。如何在短時間内實現系統功能(néng)性能(néng)的躍升，是北鬥三号論證團隊面臨的嚴峻挑戰。陳忠貴帶領研制團隊查資料、對标準、建模型、做布局、編方案，最終形成了滿足各方不同需求的技(jì )術論證報告。
展望未來，他(tā)希望能(néng)夠建設服務(wù)全球、重點突出、富有特色、局部領先、平穩過渡的北鬥衛星導航系統，形成更加泛在更加融合、更加智能(néng)的基準時空體(tǐ)系。讓中國(guó)的北鬥也是世界的北鬥，是他(tā)對衛星導航事業矢志(zhì)不渝的事業目标，也是對我國(guó)航天強國(guó)事業的铮铮誓言。
（文(wén)章來自網絡）