公開的“北鬥”導航衛星秘密(圖)

公開的“北鬥”導航衛星秘密

2011年01月  　來源： 《瞭望》新聞周刊

 

　　北鬥係統已進入了衛星發射布網的高峰期。按計劃，到2020年，北鬥將與美國GPS一樣，成為一個向全球提供服務的衛星導航係統

　　第7顆北鬥導航衛星於2010年12月18日成功發射。這顆“北鬥星”進入太空預定工作軌道，意味著中國北鬥衛星導航係統組網建設正按計劃順利推進，今後幾年將持續進行組網發射。

　　數十年來，中國一直致力於研製自主的衛星導航係統。北鬥計劃從最初的“最高機密”，到如今已逐步推廣應用。不僅中國軍隊的導航和授時方式已經逐步由GPS向北鬥轉換，金融、電力、漁政和森林防火等民用領域也在逐步使用北鬥係統。

　　但很多人並不熟悉的是，從上世紀80年代北鬥計劃起步開始，俗稱為“五院”的中國航天科技集團下屬中國空間技術研究院，就一直擔負著北鬥計劃中衛星方麵的設計製造工作。

　　在第7顆北鬥導航衛星成功發射之後，《瞭望》新聞周刊來到這個中國空間航天器研製重鎮，在北鬥係統衛星總指揮李長江和總設計師謝軍的帶領下，近距離接觸了在未來即將發射的北鬥衛星，探悉有關北鬥係統的方方麵麵。

　　進入承擔北鬥衛星研製工作的總體部大樓，大大小小標注著工作人員姓名的行李箱還擺放在走廊中，“這都是剛從發射基地拉回來的，事情太多，還沒來得及收拾呢。”跟隨李長江，本刊記者看到了即將在今明兩年發射的多顆北鬥導航衛星。

　　三間數十米高的巨大廠房從西至東排列，在前兩間廠房中，多顆北鬥導航衛星一字排開，正在進行總裝集成。而總裝集成完畢的衛星，將在最東側的一間車間內，接受包括模擬空間環境、噪聲幹擾等方麵的測試。

　　“北鬥衛星的部件都是運往這裏，進行總裝集成並接受測試。現在7顆衛星上天以後，北鬥係統可以說能用了。而那顆就是將在2011年4月發射的第三顆傾斜同步軌道(IGSO)衛星，它上天之後，北鬥係統就可以形成全麵的區域導航定位能力。”李長江指著一顆披著紅色保護層的衛星說道。

　　從“燈塔”到“北鬥一號”

　　“中國人關於利用人造衛星進行導航定位的設想其實並不比外國人晚，是與世界同步的。”李長江說：“美國的全球衛星定位係統(GPS)是在上世紀60年代開始起步的，而幾乎在同一時段，中國空間技術研究院就開始了中國自己的衛星導航係統的設計，取名為‘燈塔’，但是由於文化大革命和國家財力等原因，工程下馬。”

　　“衛星導航係統是國家安全和經濟社會發展不可或缺的信息基礎設施，是大國地位和綜合國力的重要標誌。”李長江說，“世界各大國都高度重視發展自主的衛星導航係統。例如，美國不斷提高GPS的精度和抗幹擾、抗攻擊、反利用能力，極力保持其霸主地位；俄羅斯克服經濟困難，堅持全麵恢複和自主控製格羅納斯(GLONASS)係統；歐盟一直致力於建設獨立的伽利略(GALILEO)係統；此外，在中國周邊，印度、日本也在積極謀求建設獨立自主的衛星導航係統。大家都認識到，要有自主的係統，這是不容質疑的。”

　　在這場看不見硝煙的競爭中，中國人走出了一條自己的路。1983年，“兩彈一星功勳獎章”獲得者、中國科學院院士陳芳允創造性地提出了雙星定位設計方案，即利用兩顆地球靜止軌道衛星，實現一個區域的導航定位。在這一設想的基礎上，北鬥一號雙星定位係統開始了積極地立項論證。1994年，國務院和中央軍委批準了這一雙星定位係統立項報告，中國開始了自己的第一代衛星導航係統的研製建設。

　　“2000年10月31日北鬥一號01星發射，12月21日北鬥一號02星發射。2003年5月25日又發射了北鬥一號03星，作為係統的備份星。經過近3年的調試、測試和試運行，2003年12月15日，中國第一代衛星導航係統——北鬥一號係統正式開通運行。”李長江介紹說，利用兩顆地球靜止軌道衛星實現區域導航定位屬於世界首創，具有鮮明的中國特色，而且投資很少。

　　“這一突破意義重大，這是繼美國的GPS係統和俄羅斯的格羅納斯係統之後，全球第三個建成並投入使用的衛星導航定位係統。正如北鬥衛星導航係統工程總設計師孫家棟院士所說，我們實現了從無到有，解決了衛星導航係統的有無問題。”謝軍說。

　　北鬥一號雙星定位係統的突出特點是，構成係統的空間衛星數目少、用戶終端設備簡單、一切複雜性均集中於地麵中心處理站，其主要功能包括：

　　定位——快速確定用戶所在地的地理位置，向用戶及主管部門提供導航信息。

　　通信——用戶與用戶、用戶與中心控製係統間均可實現雙向簡短數字報文通信，就如同使用手機發短信一樣，這是北鬥一號係統獨有的一項功能。目前，這項功能特別得到漁政、水文監測和森林防火部門的青睞，在搶險救災中也發揮了巨大作用。事實上，普通百姓第一次聽說“北鬥”，大多是在2008年汶川抗震救災期間。當時，在基礎設備損壞，通信中斷的情況下，救援部隊緊急配備了1000多台“北鬥一號”終端機，實現了各點位之間、點位與指揮部之間的直線聯絡，為抗震救災發揮了重要作用。

　　授時——中心控製係統定時播發授時信息，為定時用戶提供延時修正值。這也是一項非常重要的功能。在軍事領域，聯合攻擊之所以能夠精確打擊目標，是因為通過衛星定位和高精度授時對目標進行了多維鎖定。在民用領域，例如電力部門，電力傳輸設備運行時間如果不同步，輕則運行設備失控，重則造成整個地區電網癱瘓。

　　李長江告訴《瞭望》新聞周刊，目前，北鬥一號係統已經得到成功運用。但北鬥一號也有其缺陷：雙星定位，隻能為終端用戶提供經度和緯度，無法提供高度數據；隻能覆蓋中國及其周邊地區，不能覆蓋兩極地區，赤道附近定位精度差；無法在高速移動的平台上使用，用戶無法保持無線電靜默，因而不能滿足高動態和保密的軍事用戶要求；用戶數量受一定限製。而且北鬥一號衛星壽命為8年，其中北鬥01星、北鬥02星壽命即將到期，因此發射新一代北鬥衛星勢在必行。

　　北鬥升級覆蓋全球

　　“第一代衛星導航係統在我國衛星導航係統建設中是一個起步階段，可以說是用很少的資金投入，打破了國外衛星導航領域的壟斷，填補了我國衛星導航領域的空白。但是由於本身原理上的限製，隻能是一個區域衛星導航定位係統，無法發展成像GPS那樣的全球衛星係統。所以在第一代導航係統建設的同時，中國也同時開始了第二代衛星導航係統的建設論證。”李長江介紹道：“從1997年底開始起步，經過充分、周密的論證，2004年9月，第二代導航係統——北鬥衛星導航係統建設被批準實施。”

　　“我們的策略是‘解決急需，兼顧長遠；先區域，後全球’”。謝軍說，因此，第二代係統的建設分為幾步走：首先，完成一期工程，建成區域衛星導航係統。在我國重點地區提供基本的導航、定位、授時服務，滿足急需。同時為應用開發全球係統建設奠定基礎。

　　“這一階段，對於我們搞衛星係統的來說，就是要在2012年把區域係統的衛星全部發射上天，其中包括地球靜止軌道(GEO)衛星、傾斜同步軌道(IGSO)衛星、中圓軌道(MEO)衛星。到目前為止，我們已經發射了7顆北鬥導航衛星。2011年將發射4顆，2012年發射5顆。按照規劃，當2011年4月第三顆傾斜同步軌道(IGSO)衛星發射後，北鬥係統就已經可以形成區域導航定位能力。當2012年完成所有區域係統衛星發射後，一是我們的區域導航將更加穩固，可靠性穩健性將更強。衛星更多，自然可提供更快更準的服務。二是在全球軌道上部署了我們的導航衛星，占有全球衛星導航頻率資源。”

　　對於這一點，謝軍解釋說：“首先，衛星上天需要軌道位置，就好比停車要有個停車位；其次，係統運行需要頻率資源。而這兩樣，現在都是資源緊張，爭奪激烈。比如說，導航衛星的頻率資源大部分被美國的GPS占有，俄羅斯的格羅納斯也占了一部分，中國和歐盟就隻能見縫插針，因此北鬥係統和伽利略係統計劃使用的頻率互有重疊。在這種情況下，誰先使用這個頻率誰就占據了這個頻率資源。”

　　其次，在2015年前，完成全球係統建設的在軌飛行技術試驗工作，全麵解決二期工程的關鍵技術。

　　之後，2020年前，完成二期工程，建成與國外先進衛星導航係統技術服務相當的全球衛星導航係統。到時，北鬥係統的空間段將由30多顆不同軌道類型的衛星組成。據了解，目前二期工程的建設工作已經啟動。

　　對於北鬥係統具有的特點和優勢，李長江分析說，在一期工程完成之後，第一，北鬥導航係統可以提供導航定位服務，其精度可以達到重點地區水平10米，高程10米，其他大部分地區水平20米，高程20米；測速精度優於0.2米/秒。這和美國GPS的水平是差不多的。

　　第二，授時服務。授時精度可達到單向優於50納秒，雙向優於10納秒。

　　第三，短報文通信服務。這一功能能夠保證在我國及周邊地區具備每次120個漢字的短信息交換能力。“一代係統的用戶不少，用得也很好，我們不能建設了二代係統，一代就廢了。所以，我們要做到二代兼有一代的功能，也有短報文通信能力。”

　　第四，具備一定的保密、抗幹擾和抗摧毀能力；係統的導航定位用戶容量不再受到限製，並且保證用戶設備的體積小、質量輕、功耗低，滿足手持、機載、星載、彈載等各種載體需要。

　　在二期工程完成之後，北鬥導航係統服務範圍將由我國及周邊地區向全球擴展，導航定位精度將提高，全球區域達到水平5米，高程8米。此外，係統安全性能將進一步提高，短報文通信性能也將得到進一步改善。

　　李長江說：“係統建成後，最重要的當然是應用了。在民用領域，我估計2012年完成區域係統的衛星發射後，到2013年，老百姓就可以開始使用北鬥係統。目前，在建的北鬥衛星導航係統除空間段衛星係統、地麵運控係統外，用戶應用係統也在大力建設之中。我國已經把北鬥係統用戶終端機的開發作為推廣應用的重要內容，不少國內廠商都在積極研製基於北鬥係統的輕便、實用的用戶終端設備。”

　　孫家棟院士撰文指出，在與國外導航係統競爭的情況下，在較短時間內完成北鬥在國家經濟安全領域的推廣應用和在大眾市場的迅速擴展，還麵臨不少挑戰：

　　首先就是必須擁有核心自主知識產權的接收機芯片——自主知識產權的挑戰是不言而喻的。目前，在衛星導航芯片這一核心技術領域，我國的專利還寥寥無幾，而國外廠商僅基帶芯片已擁有2000多項專利。我們完全有理由擔憂，在不遠的將來，會不會出現又一個“有機無芯”的產業。解決這一問題，十分緊迫，需要創造更好的機製，鼓勵在基礎研究、產品開發等方麵自主創新，掌握核心技術，保護自主知識產權，提高核心競爭力。

　　其次，必須提出有競爭力的應用解決方案和規模推廣策略——目前，GPS已占據我國衛星導航應用絕大部分市場，在這種情況下，北鬥係統產業化麵臨巨大挑戰。我國擁有全球衛星導航應用的最大市場，緊緊抓住應用的基礎市場，充分發揮北鬥服務特色，創造性地提出應用解決方案和規模化推廣策略，是北鬥係統應用推廣和產業化的關鍵。

　　關鍵技術多項突破

　　多個衛星導航係統的競爭，將是一場世界大賽，領先者將占據主導，落後者將被邊緣化。這並非危言聳聽，而是衛星導航係統全球化競爭下的殘酷現實。孫家棟院士指出，各衛星導航係統間的競爭，其實質還是技術上的角力，係統性能是競爭的核心。

　　北鬥係統的衛星研製工作，便實現了多項關鍵技術突破。

　　李長江說：“首先，也是最基本的，就是實現了衛星在軌穩定運行。如果衛星運行不穩定，那就什麽也幹不了了。”

　　其次，自主研製了高精度星載原子鍾。“衛星導航要想達到定位準、精度高，最關鍵的就是時間必須精確、必須穩定，要有高精度星地時間比對。這就需要依靠核心的設備原子頻標，也就是俗稱的原子鍾。目前，我們自主研製的星載銣鍾已經在軌運行了3年，它的穩定度、準確度已經接近國際先進水平。”謝軍說：“最初，我們還是想從國外引進原子鍾，但是後來發現，人家對我們還是存有戒心，是不會把最好的東西給咱們的，還得靠自己。這項技術突破是集全國之力實現的，參與的單位包括北京大學、中科院、中國航天科技集團等多個部門，參與的人包括空間物理、空間無線電等多個領域的專家，大家共同把原子鍾做了出來。但我們也得看到，與國外係統的高精度星載原子鍾相比，國產銣鍾在可靠性、長壽命等指標上還有差距，星載氫鍾和銫鍾還是空白，這需要我們繼續努力。”

　　再有，導航信號體製是衛星導航係統最重要的技術體製，直接影響係統精度、抗幹擾能力和兼容互操作，並最終影響到用戶使用。北鬥係統在信號設計上立足於“用戶好用”，解決了多項關鍵技術，實現了為用戶提供良好服務的導航信號的集成、處理、傳輸的要求。

　　同時，衛星高效率、短時間組批生產能力取得了很大突破。“一個國家在一年內打一顆衛星很容易，在短期內打很多顆衛星，要做很多基礎性的工作，突破一些設計上、生產上的難點。”謝軍坦言：“就是在上述四方麵，導航衛星取得了一些進步，突破了一些技術難題。”□《瞭望》新聞周刊 陳澤偉 杜明華