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【中國科學(xué)報】創(chuàng)新，撐起北斗的時空基準

來源：時間：2024-09-26

1994年12月，北斗導(dǎo)航實驗衛(wèi)星系統(tǒng)工程獲批，一場匯集全國400多家單位、30余萬名科研人員的“大會戰(zhàn)”就此開啟。

2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，中國成為第三個獨立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。

20余年間，從技術(shù)攻關(guān)到組網(wǎng)，中國科學(xué)院在北斗系統(tǒng)精準定位的核心——時空基準的建立、保持和傳遞技術(shù)方面作出了突出貢獻。

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、造價高，和國民生活息息相關(guān)。我國導(dǎo)航衛(wèi)星建設(shè)規(guī)劃為——北斗一號覆蓋國內(nèi)區(qū)域，北斗二號擴大到亞太區(qū)域，北斗三號走向全球。

但僅僅走向亞太就很不容易，合作不暢、國際封鎖、核心技術(shù)攻關(guān)等一系列問題亟待解決。規(guī)劃中的北斗三號，應(yīng)該怎么走？

2007年，上海微小衛(wèi)星工程中心（中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院〈以下簡稱衛(wèi)星創(chuàng)新院〉前身）向中國科學(xué)院請纓參與北斗系統(tǒng)攻關(guān)研究。

2009年，北斗三號工程實施方案獲批，中國科學(xué)院任命時任載人航天工程應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計師林寶軍為衛(wèi)星總設(shè)計師。林寶軍確立的目標是，要做出能經(jīng)受住歷史考驗、與大國氣度相當?shù)拇髧仄鳌?/span>

“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)星運行終結(jié)時，使用的已經(jīng)是20年前的技術(shù)了。”林寶軍強調(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”，林寶軍將原來的結(jié)構(gòu)、熱控等十幾個分系統(tǒng)合并成電子學(xué)、控制、結(jié)構(gòu)、載荷四大功能鏈，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，同時提升了整體可靠性。

“比如原來每個分系統(tǒng)都需要計算機，一顆衛(wèi)星上甚至要24臺計算機，現(xiàn)在1臺計算機就可以完成整星計算功能。”林寶軍舉例說，“即便增加兩臺備用計算機，重量和功耗也能降到原有的八分之一。”

同時，林寶軍帶領(lǐng)團隊對配置進行了前瞻性規(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。

那段時間，林寶軍經(jīng)常聽到這樣的聲音：“歐美都沒試過，我們可以嗎？”“咱們已經(jīng)跑得夠快了，能不能稍微穩(wěn)當點？”

要說沒有壓力是不可能的。林寶軍曾花了整整一周時間，從早上9點到晚上12點，一家一家單位跑，一個人一個人溝通，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，北斗三號全球系統(tǒng)首發(fā)試驗星成功升空入軌，這是中國科學(xué)院抓總研制的第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。這顆試驗星的新技術(shù)超過70%，運行良好。

林寶軍為團隊自豪：“81個人、平均年齡才31歲的團隊，用3年零3個月的時間就走出跨越之路。”

對標GPS，打造甚高精度

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包含導(dǎo)航、定位、授時三大功能，時間基準技術(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間來測量距離，如果時間信號測量存在十億分之一秒的誤差，就會引起0.3米的距離測量或定位誤差。

只有被稱為導(dǎo)航衛(wèi)星“心臟”的原子鐘，才可作為計時的秒長時間標準參與測量如此高精度要求的時間差。目前實現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星應(yīng)用的有銣原子鐘（以下簡稱銣鐘）、銫原子鐘和氫原子鐘（以下簡稱氫鐘）。

相較而言，銣鐘體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長，制造和使用成本最低。

中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院（簡稱精密測量院）研究員梅剛?cè)A帶領(lǐng)團隊，從1997年開始便扎進了星載銣鐘的研究。

團隊開發(fā)了開槽管式微波腔、長壽命光譜燈、精密泡頻控制等一批具有自主知識產(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，使我國星載原子鐘實現(xiàn)從無到有的跨越。第一代星載銣鐘滿足了北斗二號工程建設(shè)需求。

2009年，北斗三號衛(wèi)星工程啟動，計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。

為實現(xiàn)建設(shè)國際一流北斗系統(tǒng)的目標，梅剛?cè)A建議，同時開展高精度和甚高精度星載銣鐘的技術(shù)攻關(guān)，后者要直接對標GPS。

2016年，甚高精度銣鐘成功通過驗收，無論是短穩(wěn)還是長穩(wěn)均超過了GPS銣鐘。后續(xù)銣鐘產(chǎn)品天穩(wěn)定度平均值為3.8E-15，對應(yīng)的計時誤差為每天一百億分之三秒，可滿足分米級定位需求。

從事星載銣鐘研究20多年，梅剛?cè)A說大部分時間都是在仰視國外技術(shù)的壓抑中度過的，甚高精度銣鐘研制成功，讓他長長舒了一口氣。

成功跑贏時間

星載氫鐘具備頻率穩(wěn)定性好、漂移率小的特點，既能保證精度，又能提高衛(wèi)星自主運行能力。

“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、北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星副總指揮沈苑解釋，“選用氫鐘，對衛(wèi)星總體而言，是一個全新挑戰(zhàn)。”

綜合考慮北斗導(dǎo)航系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢，衛(wèi)星總體團隊決定采用“氫鐘+銣鐘+鐘組無縫切換的時頻技術(shù)”設(shè)計，確保當某個原子鐘出現(xiàn)異常時，導(dǎo)航系統(tǒng)運行不會中斷。

衛(wèi)星時頻系統(tǒng)交給了兩個年輕人——如今的衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員、北斗三號衛(wèi)星總設(shè)計師張軍和中國科學(xué)院上海天文臺（以下簡稱上海天文臺）正高級工程師帥濤。他們與時任中國科學(xué)院國家授時中心（以下簡稱授時中心）時間頻率測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)計開始一步步摸索。

白天開會、協(xié)調(diào)總體相關(guān)事項，下班或節(jié)假日就抓緊時間調(diào)試設(shè)備、做測試，解決時頻相關(guān)問題，是張軍和帥濤那段時間的常態(tài)。

這個小團隊在學(xué)科交叉中探索出一套擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字化星載原子時頻解決方案，實現(xiàn)主備原子鐘切換時，輸出信號的相位誤差不到五百億分之一秒，滿足了“無縫切換”的要求。在2012年的兩次大系統(tǒng)比測中，他們開發(fā)的時頻原型樣機均表現(xiàn)優(yōu)秀。

鑄就穩(wěn)健星載氫鐘

但此時，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氫鐘團隊。

上海天文臺是國內(nèi)首家開展氫鐘研制的單位，到北斗三號工程實施時，已開發(fā)出第四代地面氫鐘，用于地面系統(tǒng)守時并校準星載氫鐘。“這幾年我們主要解決的問題包括尋找合適的氫原子吸附材料，以進一步提高可靠性、實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。”上海天文臺正高級工程師、地面氫鐘負責人蔡勇介紹。

同時，在上海天文臺研究員林傳富的帶領(lǐng)下，上海天文臺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)星和火箭分離時劇烈的振動沖擊過程。

帥濤加入時，團隊已研制出30公斤級別的星載氫鐘原理樣機，但產(chǎn)品的工程化程度離上天應(yīng)用還有差距。

“在一次鑒定級力學(xué)試驗中，一個核心器件內(nèi)部的引線斷裂了，當時距離衛(wèi)星發(fā)射僅剩幾個月。”帥濤回憶，“我們只能頂著壓力，聯(lián)合廠家加班加點排查、解決問題，同時舉一反三，并行開展正樣產(chǎn)品研制工作。”

2015年9月，首臺雙頻被動式氫鐘搭載試驗衛(wèi)星進入太空。在軌數(shù)據(jù)表明，氫鐘的平均每日頻率穩(wěn)定度和漂移率均達到了小系數(shù)E-15量級，核心指標優(yōu)于伽利略星載氫鐘。

實時“體檢”保障運行

也是在2015年，授時中心建成了第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的地面支持系統(tǒng)以及我國第一套全面的、實時連續(xù)運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時間，以及信號授時和軌道性能評估系統(tǒng)。

“地面支持系統(tǒng)全面完成了第一顆北斗衛(wèi)星的在軌測試和試驗，驗證了北斗全球系統(tǒng)兩個核心體制。”授時中心副研究員楊海彥介紹，“性能評估系統(tǒng)用于對北斗系統(tǒng)進行‘常規(guī)體檢’，追蹤其提供的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)是否正常。我們形成了一體化軟硬件平臺，在北斗系統(tǒng)衛(wèi)星在軌測試、全球組網(wǎng)、精穩(wěn)運行等核心環(huán)節(jié)中發(fā)揮著支撐作用。”

長期以來，授時中心在提高北斗系統(tǒng)時間的準確性、穩(wěn)定性和自主性方面，發(fā)揮了重要作用，自主研發(fā)建成了全球首個以40米天線為核心的北斗空間信號質(zhì)量評估系統(tǒng)。

2018年，是北斗三號密集發(fā)射組網(wǎng)星的一年，共發(fā)射了18顆衛(wèi)星，其中8顆都由中國科學(xué)院的團隊研制。

其間，授時中心研究員饒永南和同事一邊運維40米大口徑天線，一邊攜帶設(shè)備奔赴各地開展衛(wèi)星出廠測試。

人手不足、時間緊張都不是問題。他們專門租借了大鐵皮箱，把裝備裝進鐵箱，一個人扛著就能奔赴各地測試；測試廠房無法與外界討論技術(shù)問題，就自己開發(fā)小程序進行排查。躺在地上擰電纜、裹著軍大衣加班、半夜睡泡沫箱，是那段時間里團隊成員們常有的經(jīng)歷。

“那時候經(jīng)常干到深夜，但每個人的臉上都洋溢著信心和希望。”這些畫面，久久地留在饒永南腦海中。

移動測距精確“量天”

2019年10月，當北斗三號組網(wǎng)進入最后沖刺階段時，一個好消息傳來——可移動式激光測距系統(tǒng)研制完成并通過驗收。

這個移動測距站是一個長8米、寬2.5米的“屋子”，里面分為望遠鏡艙、光學(xué)室艙、控制室艙。

衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)好比一把“量天尺”，通過測定激光信號從地面站與搭載光學(xué)反射器導(dǎo)航衛(wèi)星的往返時間差，計算出它們之間的距離，進而標校北斗的定位、導(dǎo)航等指標精度。

此前，我國在北京、三亞、喀什建有地面站，但容易受到天氣影響，機動性很強的移動站可以彌補固定臺站有限布局的缺欠。

上海天文臺正高級工程師張忠萍從20世紀80年代初，就開始和激光測距系統(tǒng)打交道，但要做出這樣一套機動性極強的移動測距站，他還是犯了怵。

其中一項挑戰(zhàn)是“一鍵式”——只要按下控制鍵，移動站就能從密閉的長方體變?yōu)榭晒┤诉M入并操作的平臺。這要求系統(tǒng)具有高度自動化能力。

此外，衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)的核心激光器非常“嬌貴”，溫度波動大一些、房間潔凈度下降一些，就可能“罷工”。由于低估了環(huán)境對激光器造成的影響，第一臺激光器無法完全滿足移動站日常使用要求。張忠萍和合作者決定，一起湊經(jīng)費重新研制一臺。新的激光器很快投入常規(guī)運作，規(guī)避了此前的問題，最遠測距可達38800公里，最佳測距誤差在亞厘米級。

之后，團隊趁熱打鐵，對3個北斗地面固定站的激光測距系統(tǒng)進行了升級換代，全面實現(xiàn)北斗衛(wèi)星全天時測距，為北斗衛(wèi)星空間位置精確測量“保駕護航”。

創(chuàng)新信息處理，

精化北斗時空基準

要服務(wù)用戶導(dǎo)航、定位、授時，首先必須計算出衛(wèi)星的位置和時間等信息，確定北斗系統(tǒng)的時空基準。這項任務(wù)由北斗衛(wèi)星工程地面運控系統(tǒng)主控站下屬的信息系統(tǒng)實現(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間、距離等測量和測控信息，進行精細的計算和建模，并生成導(dǎo)航電文將信息通過北斗衛(wèi)星播發(fā)給用戶使用。

由于無法在海外建設(shè)觀測站，北斗系統(tǒng)面臨區(qū)域觀測網(wǎng)與全球高精度服務(wù)的矛盾。上海天文臺的信息處理系統(tǒng)團隊提出了“融合雙向時間同步的衛(wèi)星測軌”“基于載波相位的四重增強校正”等新技術(shù)，在地面觀測網(wǎng)僅有GPS系統(tǒng)1/50的情況下，達到了國際先進的性能指標。

同時，針對北斗系統(tǒng)一系列技術(shù)和體制的“國際首創(chuàng)”，信息處理系統(tǒng)負責對其進行大系統(tǒng)驗證，并將其應(yīng)用于北斗系統(tǒng)服務(wù)性能的改進。

以北斗三號的星間鏈路為例，基于毫米波相控陣的Ka星間鏈路技術(shù)，實現(xiàn)了衛(wèi)星之間的觀測。

上海天文臺正高級工程師胡小工帶領(lǐng)團隊提出并實現(xiàn)了“區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)+星間鏈路”的星地星間聯(lián)合精密定軌技術(shù)，并通過特別設(shè)計提高了聯(lián)合定軌數(shù)據(jù)處理算法的穩(wěn)健性和容錯性。

“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，可以通過聽來實現(xiàn)導(dǎo)航的作用。”上海天文臺研究員陳俊平解釋。

陳俊平進一步提出“星地融合”理念，一方面通過引入更多地面基準站提高地基精度，另一方面更新北斗信息系統(tǒng)模型算法，提升北斗時空信號精度。

北斗坐標系是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的空間基準，負責為北斗全球?qū)Ш蕉ㄎ皇跁r服務(wù)、星基增強服務(wù)、精密單點定位服務(wù)提供地面區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)臺站精密坐標。

上海天文臺正高級工程師周善石帶領(lǐng)團隊，提出聯(lián)合北斗星地星間多源測量手段實現(xiàn)區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)高精度臺站坐標解算的新方法，采用全球聯(lián)測方式，2023年實現(xiàn)了與最新版國際地球參考框架ITRF對齊。

“北斗精神”照耀星空

2020年4月，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)服務(wù)組織對四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的運行，進行了為期兩個月的測試評估。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；而在時頻、信號、空間精度等核心指標上，北斗已經(jīng)全面超過GPS。

2021年，GPS之父布拉德·帕金森在一次采訪中表示：“我認為中國（北斗）已經(jīng)超過GPS。”

林寶軍當初暗自設(shè)下的目標，已然變?yōu)楝F(xiàn)實，背后既有頂層的高瞻遠矚，也有每一位科研人員的全情投入。

作為“國家隊”，中國科學(xué)院積極履行“面向國家重大戰(zhàn)略需求”的使命擔當，主動參與北斗建設(shè)。每位參與的科研人員，都以昂揚的斗志投入北斗工程的建設(shè)，踐行著新時代的北斗精神。

如今，他們正在進一步發(fā)揚北斗精神，為實現(xiàn)“2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導(dǎo)航授時體系”的目標而不懈努力。

《中國科學(xué)報》 (2024-09-26 第4版?專題)

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