1994年12月，北斗導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)工程獲批，一場(chǎng)匯集全國(guó)400多家單位、30余萬(wàn)名科研人員的“大會(huì)戰(zhàn)”就此開(kāi)啟。2020年7月31日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通，中國(guó)成為第三個(gè)獨(dú)立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。20余年間，從技術(shù)攻關(guān)到組網(wǎng)，中國(guó)科學(xué)院在北斗系統(tǒng)精準(zhǔn)定位的核心——時(shí)空基準(zhǔn)的建立、保持和傳遞技術(shù)方面作出了突出貢獻(xiàn)。理念創(chuàng)新，確保整體領(lǐng)先
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)模大、造價(jià)高，和國(guó)民生活息息相關(guān)。我國(guó)導(dǎo)航衛(wèi)星建設(shè)規(guī)劃為——北斗一號(hào)覆蓋國(guó)內(nèi)區(qū)域，北斗二號(hào)擴(kuò)大到亞太區(qū)域，北斗三號(hào)走向全球。但僅僅走向亞太就很不容易，合作不暢、國(guó)際封鎖、核心技術(shù)攻關(guān)等一系列問(wèn)題亟待解決。規(guī)劃中的北斗三號(hào)，應(yīng)該怎么走？2007年，上海微小衛(wèi)星工程中心（中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院〈以下簡(jiǎn)稱衛(wèi)星創(chuàng)新院〉前身）向中國(guó)科學(xué)院請(qǐng)纓參與北斗系統(tǒng)攻關(guān)研究。2009年，北斗三號(hào)工程實(shí)施方案獲批，中國(guó)科學(xué)院任命時(shí)任載人航天工程應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師林寶軍為衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師。林寶軍確立的目標(biāo)是，要做出能經(jīng)受住歷史考驗(yàn)、與大國(guó)氣度相當(dāng)?shù)拇髧?guó)重器。“關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)一般需要10年，衛(wèi)星的壽命往往在10年以上，到衛(wèi)星運(yùn)行終結(jié)時(shí)，使用的已經(jīng)是20年前的技術(shù)了。”林寶軍強(qiáng)調(diào)，“理念的創(chuàng)新性和前瞻性就顯得更加重要。”為了給衛(wèi)星“瘦身”，林寶軍將原來(lái)的結(jié)構(gòu)、熱控等十幾個(gè)分系統(tǒng)合并成電子學(xué)、控制、結(jié)構(gòu)、載荷四大功能鏈，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)提升了整體可靠性。“比如原來(lái)每個(gè)分系統(tǒng)都需要計(jì)算機(jī)，一顆衛(wèi)星上甚至要24臺(tái)計(jì)算機(jī)，現(xiàn)在1臺(tái)計(jì)算機(jī)就可以完成整星計(jì)算功能。”林寶軍舉例說(shuō)，“即便增加兩臺(tái)備用計(jì)算機(jī)，重量和功耗也能降到原有的八分之一。”同時(shí)，林寶軍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)配置進(jìn)行了前瞻性規(guī)劃，在“后墻”不倒的前提下，選用成熟的元器件和工藝路線，確保創(chuàng)新技術(shù)落地，使衛(wèi)星整體技術(shù)領(lǐng)先。那段時(shí)間，林寶軍經(jīng)常聽(tīng)到這樣的聲音：“歐美都沒(méi)試過(guò)，我們可以嗎？”“咱們已經(jīng)跑得夠快了，能不能稍微穩(wěn)當(dāng)點(diǎn)？”要說(shuō)沒(méi)有壓力是不可能的。林寶軍曾花了整整一周時(shí)間，從早上9點(diǎn)到晚上12點(diǎn)，一家一家單位跑，一個(gè)人一個(gè)人溝通，累了就喝功能飲料，終于讓所有人都接納了他的新觀念。2015年3月30日，北斗三號(hào)全球系統(tǒng)首發(fā)試驗(yàn)星成功升空入軌，這是中國(guó)科學(xué)院抓總研制的第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。這顆試驗(yàn)星的新技術(shù)超過(guò)70%，運(yùn)行良好。林寶軍為團(tuán)隊(duì)自豪：“81個(gè)人、平均年齡才31歲的團(tuán)隊(duì)，用3年零3個(gè)月的時(shí)間就走出跨越之路。”全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包含導(dǎo)航、定位、授時(shí)三大功能，時(shí)間基準(zhǔn)技術(shù)水平直接決定導(dǎo)航定位精度。定位的基本原理是用光速乘以時(shí)間來(lái)測(cè)量距離，如果時(shí)間信號(hào)測(cè)量存在十億分之一秒的誤差，就會(huì)引起0.3米的距離測(cè)量或定位誤差。只有被稱為導(dǎo)航衛(wèi)星“心臟”的原子鐘，才可作為計(jì)時(shí)的秒長(zhǎng)時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)參與測(cè)量如此高精度要求的時(shí)間差。目前實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星應(yīng)用的有銣原子鐘（以下簡(jiǎn)稱銣鐘）、銫原子鐘和氫原子鐘（以下簡(jiǎn)稱氫鐘）。相較而言，銣鐘體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)，制造和使用成本最低。中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院（簡(jiǎn)稱精密測(cè)量院）研究員梅剛?cè)A帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，從1997年開(kāi)始便扎進(jìn)了星載銣鐘的研究。團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了開(kāi)槽管式微波腔、長(zhǎng)壽命光譜燈、精密泡頻控制等一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)，逐一突破精度、小型化、壽命、可靠性、衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性等技術(shù)難點(diǎn)，使我國(guó)星載原子鐘實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的跨越。第一代星載銣鐘滿足了北斗二號(hào)工程建設(shè)需求。2009年，北斗三號(hào)衛(wèi)星工程啟動(dòng)，計(jì)劃研制高精度星載銣鐘。梅剛?cè)A在調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，即便經(jīng)過(guò)幾年的努力做出了高精度銣鐘，性能也比GPS新一代銣鐘差一大截。為實(shí)現(xiàn)建設(shè)國(guó)際一流北斗系統(tǒng)的目標(biāo)，梅剛?cè)A建議，同時(shí)開(kāi)展高精度和甚高精度星載銣鐘的技術(shù)攻關(guān)，后者要直接對(duì)標(biāo)GPS。2016年，甚高精度銣鐘成功通過(guò)驗(yàn)收，無(wú)論是短穩(wěn)還是長(zhǎng)穩(wěn)均超過(guò)了GPS銣鐘。后續(xù)銣鐘產(chǎn)品天穩(wěn)定度平均值為3.8E-15，對(duì)應(yīng)的計(jì)時(shí)誤差為每天一百億分之三秒，可滿足分米級(jí)定位需求。從事星載銣鐘研究20多年，梅剛?cè)A說(shuō)大部分時(shí)間都是在仰視國(guó)外技術(shù)的壓抑中度過(guò)的，甚高精度銣鐘研制成功，讓他長(zhǎng)長(zhǎng)舒了一口氣。星載氫鐘具備頻率穩(wěn)定性好、漂移率小的特點(diǎn)，既能保證精度，又能提高衛(wèi)星自主運(yùn)行能力。“銣鐘的成熟度和可靠性都很高。”衛(wèi)星創(chuàng)新院導(dǎo)航研究所所長(zhǎng)、北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星副總指揮沈苑解釋，“選用氫鐘，對(duì)衛(wèi)星總體而言，是一個(gè)全新挑戰(zhàn)。”綜合考慮北斗導(dǎo)航系統(tǒng)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，衛(wèi)星總體團(tuán)隊(duì)決定采用“氫鐘+銣鐘+鐘組無(wú)縫切換的時(shí)頻技術(shù)”設(shè)計(jì)，確保當(dāng)某個(gè)原子鐘出現(xiàn)異常時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)中斷。衛(wèi)星時(shí)頻系統(tǒng)交給了兩個(gè)年輕人——如今的衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員、北斗三號(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師張軍和中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱上海天文臺(tái)）正高級(jí)工程師帥濤。他們與時(shí)任中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心（以下簡(jiǎn)稱授時(shí)中心）時(shí)間頻率測(cè)量與控制研究室主任李孝輝等共同攻關(guān)，從電路原理設(shè)計(jì)開(kāi)始一步步摸索。白天開(kāi)會(huì)、協(xié)調(diào)總體相關(guān)事項(xiàng)，下班或節(jié)假日就抓緊時(shí)間調(diào)試設(shè)備、做測(cè)試，解決時(shí)頻相關(guān)問(wèn)題，是張軍和帥濤那段時(shí)間的常態(tài)。這個(gè)小團(tuán)隊(duì)在學(xué)科交叉中探索出一套擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的數(shù)字化星載原子時(shí)頻解決方案，實(shí)現(xiàn)主備原子鐘切換時(shí)，輸出信號(hào)的相位誤差不到五百億分之一秒，滿足了“無(wú)縫切換”的要求。在2012年的兩次大系統(tǒng)比測(cè)中，他們開(kāi)發(fā)的時(shí)頻原型樣機(jī)均表現(xiàn)優(yōu)秀。但此時(shí)，星載氫鐘的研制卻不太順利。2013年，在林寶軍的建議下，帥濤加入上海天文臺(tái)氫鐘團(tuán)隊(duì)。上海天文臺(tái)是國(guó)內(nèi)首家開(kāi)展氫鐘研制的單位，到北斗三號(hào)工程實(shí)施時(shí)，已開(kāi)發(fā)出第四代地面氫鐘，用于地面系統(tǒng)守時(shí)并校準(zhǔn)星載氫鐘。“這幾年我們主要解決的問(wèn)題包括尋找合適的氫原子吸附材料，以進(jìn)一步提高可靠性、實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。”上海天文臺(tái)正高級(jí)工程師、地面氫鐘負(fù)責(zé)人蔡勇介紹。同時(shí)，在上海天文臺(tái)研究員林傳富的帶領(lǐng)下，上海天文臺(tái)首次將電極式微波腔技術(shù)、雙頻電路技術(shù)應(yīng)用于星載氫鐘的研制。星載氫鐘需適應(yīng)惡劣的太空環(huán)境，還要經(jīng)歷衛(wèi)星和火箭分離時(shí)劇烈的振動(dòng)沖擊過(guò)程。帥濤加入時(shí)，團(tuán)隊(duì)已研制出30公斤級(jí)別的星載氫鐘原理樣機(jī)，但產(chǎn)品的工程化程度離上天應(yīng)用還有差距。“在一次鑒定級(jí)力學(xué)試驗(yàn)中，一個(gè)核心器件內(nèi)部的引線斷裂了，當(dāng)時(shí)距離衛(wèi)星發(fā)射僅剩幾個(gè)月。”帥濤回憶，“我們只能頂著壓力，聯(lián)合廠家加班加點(diǎn)排查、解決問(wèn)題，同時(shí)舉一反三，并行開(kāi)展正樣產(chǎn)品研制工作。”2015年9月，首臺(tái)雙頻被動(dòng)式氫鐘搭載試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)入太空。在軌數(shù)據(jù)表明，氫鐘的平均每日頻率穩(wěn)定度和漂移率均達(dá)到了小系數(shù)E-15量級(jí)，核心指標(biāo)優(yōu)于伽利略星載氫鐘。實(shí)時(shí)“體檢”保障運(yùn)行
也是在2015年，授時(shí)中心建成了第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的地面支持系統(tǒng)以及我國(guó)第一套全面的、實(shí)時(shí)連續(xù)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間，以及信號(hào)授時(shí)和軌道性能評(píng)估系統(tǒng)。“地面支持系統(tǒng)全面完成了第一顆北斗衛(wèi)星的在軌測(cè)試和試驗(yàn)，驗(yàn)證了北斗全球系統(tǒng)兩個(gè)核心體制。”授時(shí)中心副研究員楊海彥介紹，“性能評(píng)估系統(tǒng)用于對(duì)北斗系統(tǒng)進(jìn)行‘常規(guī)體檢’，追蹤其提供的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)是否正常。我們形成了一體化軟硬件平臺(tái)，在北斗系統(tǒng)衛(wèi)星在軌測(cè)試、全球組網(wǎng)、精穩(wěn)運(yùn)行等核心環(huán)節(jié)中發(fā)揮著支撐作用。”長(zhǎng)期以來(lái)，授時(shí)中心在提高北斗系統(tǒng)時(shí)間的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和自主性方面，發(fā)揮了重要作用，自主研發(fā)建成了全球首個(gè)以40米天線為核心的北斗空間信號(hào)質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)。2018年，是北斗三號(hào)密集發(fā)射組網(wǎng)星的一年，共發(fā)射了18顆衛(wèi)星，其中8顆都由中國(guó)科學(xué)院的團(tuán)隊(duì)研制。其間，授時(shí)中心研究員饒永南和同事一邊運(yùn)維40米大口徑天線，一邊攜帶設(shè)備奔赴各地開(kāi)展衛(wèi)星出廠測(cè)試。人手不足、時(shí)間緊張都不是問(wèn)題。他們專門(mén)租借了大鐵皮箱，把裝備裝進(jìn)鐵箱，一個(gè)人扛著就能奔赴各地測(cè)試；測(cè)試廠房無(wú)法與外界討論技術(shù)問(wèn)題，就自己開(kāi)發(fā)小程序進(jìn)行排查。躺在地上擰電纜、裹著軍大衣加班、半夜睡泡沫箱，是那段時(shí)間里團(tuán)隊(duì)成員們常有的經(jīng)歷。“那時(shí)候經(jīng)常干到深夜，但每個(gè)人的臉上都洋溢著信心和希望。”這些畫(huà)面，久久地留在饒永南腦海中。2019年10月，當(dāng)北斗三號(hào)組網(wǎng)進(jìn)入最后沖刺階段時(shí)，一個(gè)好消息傳來(lái)——可移動(dòng)式激光測(cè)距系統(tǒng)研制完成并通過(guò)驗(yàn)收。這個(gè)移動(dòng)測(cè)距站是一個(gè)長(zhǎng)8米、寬2.5米的“屋子”，里面分為望遠(yuǎn)鏡艙、光學(xué)室艙、控制室艙。衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)好比一把“量天尺”，通過(guò)測(cè)定激光信號(hào)從地面站與搭載光學(xué)反射器導(dǎo)航衛(wèi)星的往返時(shí)間差，計(jì)算出它們之間的距離，進(jìn)而標(biāo)校北斗的定位、導(dǎo)航等指標(biāo)精度。此前，我國(guó)在北京、三亞、喀什建有地面站，但容易受到天氣影響，機(jī)動(dòng)性很強(qiáng)的移動(dòng)站可以彌補(bǔ)固定臺(tái)站有限布局的缺欠。上海天文臺(tái)正高級(jí)工程師張忠萍從20世紀(jì)80年代初，就開(kāi)始和激光測(cè)距系統(tǒng)打交道，但要做出這樣一套機(jī)動(dòng)性極強(qiáng)的移動(dòng)測(cè)距站，他還是犯了怵。其中一項(xiàng)挑戰(zhàn)是“一鍵式”——只要按下控制鍵，移動(dòng)站就能從密閉的長(zhǎng)方體變?yōu)榭晒┤诉M(jìn)入并操作的平臺(tái)。這要求系統(tǒng)具有高度自動(dòng)化能力。此外，衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的核心激光器非常“嬌貴”，溫度波動(dòng)大一些、房間潔凈度下降一些，就可能“罷工”。由于低估了環(huán)境對(duì)激光器造成的影響，第一臺(tái)激光器無(wú)法完全滿足移動(dòng)站日常使用要求。張忠萍和合作者決定，一起湊經(jīng)費(fèi)重新研制一臺(tái)。新的激光器很快投入常規(guī)運(yùn)作，規(guī)避了此前的問(wèn)題，最遠(yuǎn)測(cè)距可達(dá)38800公里，最佳測(cè)距誤差在亞厘米級(jí)。之后，團(tuán)隊(duì)趁熱打鐵，對(duì)3個(gè)北斗地面固定站的激光測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了升級(jí)換代，全面實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星全天時(shí)測(cè)距，為北斗衛(wèi)星空間位置精確測(cè)量“保駕護(hù)航”。創(chuàng)新信息處理，
精化北斗時(shí)空基準(zhǔn)
要服務(wù)用戶導(dǎo)航、定位、授時(shí)，首先必須計(jì)算出衛(wèi)星的位置和時(shí)間等信息，確定北斗系統(tǒng)的時(shí)空基準(zhǔn)。這項(xiàng)任務(wù)由北斗衛(wèi)星工程地面運(yùn)控系統(tǒng)主控站下屬的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。信息處理系統(tǒng)被喻為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的“大腦”，它融合衛(wèi)星、地面以及星地之間的各種時(shí)間、距離等測(cè)量和測(cè)控信息，進(jìn)行精細(xì)的計(jì)算和建模，并生成導(dǎo)航電文將信息通過(guò)北斗衛(wèi)星播發(fā)給用戶使用。由于無(wú)法在海外建設(shè)觀測(cè)站，北斗系統(tǒng)面臨區(qū)域觀測(cè)網(wǎng)與全球高精度服務(wù)的矛盾。上海天文臺(tái)的信息處理系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)提出了“融合雙向時(shí)間同步的衛(wèi)星測(cè)軌”“基于載波相位的四重增強(qiáng)校正”等新技術(shù)，在地面觀測(cè)網(wǎng)僅有GPS系統(tǒng)1/50的情況下，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)的性能指標(biāo)。同時(shí)，針對(duì)北斗系統(tǒng)一系列技術(shù)和體制的“國(guó)際首創(chuàng)”，信息處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)其進(jìn)行大系統(tǒng)驗(yàn)證，并將其應(yīng)用于北斗系統(tǒng)服務(wù)性能的改進(jìn)。以北斗三號(hào)的星間鏈路為例，基于毫米波相控陣的Ka星間鏈路技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星之間的觀測(cè)。上海天文臺(tái)正高級(jí)工程師胡小工帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)現(xiàn)了“區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)+星間鏈路”的星地星間聯(lián)合精密定軌技術(shù)，并通過(guò)特別設(shè)計(jì)提高了聯(lián)合定軌數(shù)據(jù)處理算法的穩(wěn)健性和容錯(cuò)性。“可以理解為讓北斗系統(tǒng)有了‘耳朵’，這樣‘眼睛’看不到的地方，可以通過(guò)聽(tīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航的作用。”上海天文臺(tái)研究員陳俊平解釋。陳俊平進(jìn)一步提出“星地融合”理念，一方面通過(guò)引入更多地面基準(zhǔn)站提高地基精度，另一方面更新北斗信息系統(tǒng)模型算法，提升北斗時(shí)空信號(hào)精度。北斗坐標(biāo)系是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間基準(zhǔn)，負(fù)責(zé)為北斗全球?qū)Ш蕉ㄎ皇跁r(shí)服務(wù)、星基增強(qiáng)服務(wù)、精密單點(diǎn)定位服務(wù)提供地面區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)臺(tái)站精密坐標(biāo)。上海天文臺(tái)正高級(jí)工程師周善石帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，提出聯(lián)合北斗星地星間多源測(cè)量手段實(shí)現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)高精度臺(tái)站坐標(biāo)解算的新方法，采用全球聯(lián)測(cè)方式，2023年實(shí)現(xiàn)了與最新版國(guó)際地球參考框架ITRF對(duì)齊。2020年4月，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)組織對(duì)四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行，進(jìn)行了為期兩個(gè)月的測(cè)試評(píng)估。結(jié)果顯示，目前能夠向全球用戶提供導(dǎo)航服務(wù)的只有北斗和GPS；而在時(shí)頻、信號(hào)、空間精度等核心指標(biāo)上，北斗已經(jīng)全面超過(guò)GPS。2021年，GPS之父布拉德·帕金森在一次采訪中表示：“我認(rèn)為中國(guó)（北斗）已經(jīng)超過(guò)GPS。”林寶軍當(dāng)初暗自設(shè)下的目標(biāo)，已然變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，背后既有頂層的高瞻遠(yuǎn)矚，也有每一位科研人員的全情投入。作為“國(guó)家隊(duì)”，中國(guó)科學(xué)院積極履行“面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求”的使命擔(dān)當(dāng)，主動(dòng)參與北斗建設(shè)。每位參與的科研人員，都以昂揚(yáng)的斗志投入北斗工程的建設(shè)，踐行著新時(shí)代的北斗精神。如今，他們正在進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)北斗精神，為實(shí)現(xiàn)“2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系”的目標(biāo)而不懈努力。《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2024-09-26 第4版?專題)
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