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揭秘中国北斗是怎样炼成的:能否和GPS一决高下
华夏经纬网   2017-11-13 08:40:38   
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    中国北斗想和GPS一决高下

  大国重器北斗三号是怎样炼成的

  任何一个大国重器的诞生,似乎都避免不了和发达国家同类产品拼力比试、同台竞争甚至“掰手腕”的命运^,作为要走进寻常百姓家的导航利器,北斗更是如此^。11月5日晚*,我国最新一代导航卫星北斗三号首次发射后,人们便迫不及待想知道走向全球的中国北斗,究竟能否和GPS一决高下^。

  这可能也是航天活动不近人情的地方&&,在最抓眼球的火箭点火、呼啸苍穹之后^&,人们的好奇心大多留给了“火箭发射有多厉害”“飞天卫星有什么用”等问题,至于其背后技术含量&^、研制人员辛劳程度则鲜有问津。不过,这一点并不完全适用于北斗^&,因为要真正说清楚它和GPS的区别^,一些技术细节甚至是技术路线问题是绕不开的。

  毕竟^,中国北斗比GPS起步晚了20多年*,不仅没能和后者站在同一条起跑线*^,就是在之后的追赶过程中^,也不能说完全跻身到了同一个赛道上&。以导航系统的地面站建设为例^,美国打造GPS*,可以在全世界“布点设站”,而中国囿于种种原因只能在“天上”想办法&,攻坚卫星之间、星座之间的链路技术^。

  这正应了人们常说的那句 “既是挑战&,也是机遇”。太空是个大舞台^^,在这个舞台上亮相的各种卫星^&,扮演着生旦净末丑不同的“角色”^^,但是无论什么样的角色,都有其基本功以及独门手艺&*,北斗也不例外&。中国青年报·中青在线记者就此采访有关专家^,揭秘走向全球的中国北斗究竟是怎样炼成的。

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    11月5日*,中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭^,以“一箭双星”方式成功发射第24颗&、第25颗北斗导航卫星^^。中新社发 李晋 摄

  “大脑”:数十颗北斗卫星“天上漂”如何不擅离职守*?

  作为北斗三号卫星的打造者^,中国航天科技集团五院的专家给出过这样一个比方——

  如果把卫星类比成人的话&,那么卫星的控制系统就相当于人的“大脑与神经组织”^,指挥肢体完成各种工作;卫星推进系统相当于人的“肌肉组织”*,推动肢体完成各种工作*;而能源系统相当于人的“血液循环组织”*,为大脑和肢体提供能量&。

  而为整个卫星提供时间基准*&、维持时间准确性的守时设备——原子钟*,则相当于人的“心脏”*,可谓“没有原子钟就没有全球导航”。卫星之间的链路技术*^,相当于人的“灵魂”&,让人与人远距离之间也能够相互感应&^,彼此惦记,做到“心有灵犀”**&。

  先说“大脑与神经组织”^。这关乎不少人的一个疑问*&,即“数十颗北斗卫星同时在天上漂,他们如何做到不擅离职守?”

  答案是^,他们非?!白月伞?,知道自己该待在什么地方*。而这种“自律”就得益于被称作卫星“大脑与神经组织”的控制系统*。

  按照中国航天科技集团五院北斗三号副总设计师高益军的说法^,控制系统就是卫星在天上保持正确轨道&、正确姿态的“总指挥”&,它实时搜集卫星的轨道和姿态信息^,一旦发现有所偏离&,就指挥自己回到正常状态&&。

  高益军说*,有了这个北斗三号的控制分系统^,就相当于增加卫星“至少60天”的完全自主运行能力。这意味着,一旦地面测控站出现故障期间&&,北斗卫星仍能够正常在轨工作*&。

  “这样大大减少了对地面站的依赖*,成就‘可视’范围外对卫星的控制。并大大降低系统的运行管理成本^&,当然这也给卫星控制系统的设计和实现带来了很大的难度&?^!备咭婢?。

  值得一提的是*,此次北斗三号研制任务中,控制系统国产化单机达100%*^,分系统国产化元器件占90%以上——这是高益军透露的一组数据&。他说:“控制系统里没有一台进口产品^?^!?/P>

  至于卫星的“血液循环组织”***,有一个重要的组成部分,名为“二次电源”,它将卫星上一次太阳能或电池的电能进行转换,并通过星上线缆网——相当于卫星的“血管系统”,输送到各种电子设备。

  按照中国航天科技集团五院510所专家的说法,电子设备有什么样的口味&&,他们就有什么样的“电能菜谱”,让卫星电子设备“大快朵颐”*,来完成在太空中的表演*。

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    11月5日,中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,以“一箭双星”方式成功发射第24颗、第25颗北斗导航卫星。中新社发 谢奇勇 摄

  “心脏”:精确定位的前提是一只“300万年1秒误差”的钟

  不少人谈及北斗、GPS等卫星导航系统*,第一个疑问就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我们的位置,又怎么能如此精准地‘指引’我们的方向^?”

  这就不得不提到被称作卫星“心脏”的原子钟*&,导航系统几乎都是依靠它来“掌握”时间的精度^。北斗卫星导航系统总设计师杨长风说&,时间精度就是卫星导航的“命门”,天地间时间越同步、误差越小&*,定位精度越高。

  然而&,在北斗导航卫星发展初期,我国并不具备研制生产星载原子钟的能力。杨长风说&,过去,只有少数国家能够制造卫星导航系统使用的高精度原子钟,但对我国实行严格限制^,甚至直接禁运,“这才倒逼我们研制能够上星的原子钟”*。

  直到北斗二号建设时,他国垄断才被彻底打破*。如今,北斗三号建设大幕拉开,我们也迎来了最新一代原子钟——“铷原子钟”*。

  所谓“铷原子钟”^,是以铷原子跃迁为物理基础建立的一套极度精密的电子设备*^,简称“铷钟”^。其稳定度,直接关乎导航卫星的定位*、测速和授时功能的精度,甚至可以说,直接决定着导航卫星的成败&。

  杨长风说^&,北斗三号所配备的铷钟*,其稳定度达到E-14量级^,“这相当于300万年只有1秒误差”*。

  中国航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师王平说,这一技术进步^,直接推动了我国全球导航系统定位精度*,由之前“区域系统”的10米&,跨越到后续“全球系统”米级分辨率&,测速和授时精度同步提高一个量级。

  五院原子频标领域首席专家贺玉玲博士透露,当前&,中国航天科技集团五院西安分院正在研制甚高精度铷原子钟,争取未来将导航卫星的定位精度&*、授时精度再提高一个量级,届时,这种追求精度极致的探索*,或将带动新兴产业和新兴社会应用的出现&。

  “灵魂”:离“天地之间万物互联”不远了

  当然^,只有一颗卫星不足以称之为系统&。我们常说的北斗*&,是中国北斗卫星导航系统的简称&,不是指一颗卫星*^,以北斗三号这一代为例,按照计划^,要到2020年&^*,完成30多颗组网卫星发射&&,才能构成全球卫星导航系统,实现所谓的全球服务能力&*&。

  另一个容易被忽略的细节是^,除了空间段这30多颗卫星,整个北斗系统还包括地面段和用户段,前者有地面基准站,后者有用户终端^^&。

  这就引出一个问题,即我国很难像GPS那样,在全球大范围建立地面站&,为解决境外卫星的数据传输通道**,似乎只能从“星间链路”下手——在卫星之间搭建的通信测量链路*,实现了卫星与卫星&、卫星与地面站的链路互通。

  这就是说,虽然我们“看不见”处在地球另一面的北斗卫星^^*,但通过北斗卫星的星间链路^&,同样能和它们取得联系&**。

  五院西安分院北斗导航副总设计师张立新说,星间链路技术就好比让北斗三号“太空兄弟手拉手”*,不仅相互间通信和数据传输*,还能相互测距,自动“保持队形”*,可以减轻地面管理维护压力&。

  当然^&,星间链路并非只是“地面站难以大范围建设”的权宜之计,也是掌握着“主动出击”“自主导航”的关键^。

  所谓自主导航,就是指“即使地面站全部失效&,30多颗北斗导航卫星也能通过星间链路提供精准定位和授时^^,地面用户通过手机等终端仍旧能进行定位及导航”&。

  张立新说^,由于北斗导航卫星的地面站较少,地面系统的全球连续完好性监测,和实时告警的时间一般需要“数十秒到几小时”^*,而卫星上的直接监测预警^,仅仅需要几秒钟的时间*&。

  在他看来**,卫星自主完好性监测^*,是北斗三号的一项新技术&,相较于美国的GPS*^、俄罗斯的格洛纳斯以及欧洲的伽利略等导航卫星系统&^*,中国北斗在世界上首次实现了卫星的在轨完好性自主监测功能&。

  此外^,北斗三号的星间链路系统^,还能与其他类型卫星相关联^,联网的数量可达上百颗。张立新说:“这对于构建我国的天基综合信息网^^,实现我国卫星之间联网具有不可小觑的作用?!?/P>

  他以遥感卫星为例,遥感卫星对全球的地面进行测绘,但只有卫星经过国土境内时**,才能将其收集到的图片信息传回地面,而在天基综合信息网中^,遥感卫星就能够以北斗导航卫星的星间链路为“通道”^,实现信息的实时传输,互通天地信息^。

  如此&^,也就离我们所说的“天地之间万物互联”不远了*&*。

  中国青年报·中青在线记者 邱晨辉

来源:中国青年报

 

责任编辑:侯哲

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