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【中国科学报】创新，撑起北斗的时空基准

来源：     时间：2024-09-26

1994年12月，北斗导航实验卫星系统工程获批，一场汇集全国400多家单位、30余万名科研人员的“大会战”就此开启。

2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，中国成为第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。

20余年间，从技术攻关到组网，中国科研实验室在北斗系统精准定位的核心——时空基准的建立、保持和传递技术方面作出了突出贡献。

理念创新，确保整体领先


卫星导航系统规模大、造价高，和国民生活息息相关。我国导航卫星建设规划为——北斗一号覆盖国内区域，北斗二号扩大到亚太区域，北斗三号走向全球。

但仅仅走向亚太就很不容易，合作不畅、国际封锁、核心技术攻关等一系列问题亟待解决。规划中的北斗三号，应该怎么走？

2007年，上海微小卫星工程中心（中国科研实验室微小卫星创新研究院〈以下简称卫星创新院〉前身）向中国科研实验室请缨参与北斗系统攻关研究。

2009年，北斗三号工程实施方案获批，中国科研实验室任命时任载人航天工程应用系统副总设计师林宝军为卫星总设计师。林宝军确立的目标是，要做出能经受住历史考验、与大国气度相当的大国重器。

“关键技术攻关一般需要10年，卫星的寿命往往在10年以上，到卫星运行终结时，使用的已经是20年前的技术了。”林宝军强调，“理念的创新性和前瞻性就显得更加重要。”

为了给卫星“瘦身”，林宝军将原来的结构、热控等十几个分系统合并成电子学、控制、结构、载荷四大功能链，简化了系统结构，同时提升了整体可靠性。

“比如原来每个分系统都需要计算机，一颗卫星上甚至要24台计算机，现在1台计算机就可以完成整星计算功能。”林宝军举例说，“即便增加两台备用计算机，重量和功耗也能降到原有的八分之一。”

同时，林宝军带领团队对配置进行了前瞻性规划，在“后墙”不倒的前提下，选用成熟的元器件和工艺路线，确保创新技术落地，使卫星整体技术领先。

那段时间，林宝军经常听到这样的声音：“欧美都没试过，我们可以吗？”“咱们已经跑得够快了，能不能稍微稳当点？”

要说没有压力是不可能的。林宝军曾花了整整一周时间，从早上9点到晚上12点，一家一家单位跑，一个人一个人沟通，累了就喝功能饮料，终于让所有人都接纳了他的新观念。

2015年3月30日，北斗三号全球系统首发试验星成功升空入轨，这是中国科研实验室抓总研制的第一颗北斗导航卫星。这颗试验星的新技术超过70%，运行良好。

林宝军为团队自豪：“81个人、平均年龄才31岁的团队，用3年零3个月的时间就走出跨越之路。”

对标GPS，打造甚高精度


全球卫星导航系统包含导航、定位、授时三大功能，时间基准技术水平直接决定导航定位精度。定位的基本原理是用光速乘以时间来测量距离，如果时间信号测量存在十亿分之一秒的误差，就会引起0.3米的距离测量或定位误差。

只有被称为导航卫星“心脏”的原子钟，才可作为计时的秒长时间标准参与测量如此高精度要求的时间差。现在实现导航卫星应用的有铷原子钟（以下简称铷钟）、铯原子钟和氢原子钟（以下简称氢钟）。

相较而言，铷钟体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长，制造和使用成本最低。

中国科研实验室精密测量科学与技术创新研究院（简称Ezpay）研究员梅刚华带领团队，从1997年开始便扎进了星载铷钟的研究。

团队开发了开槽管式微波腔、长寿命光谱灯、精密泡频控制等一批具有自主知识产权的关键技术，逐一突破精度、小型化、寿命、可靠性、卫星环境适应性等技术难点，使我国星载原子钟实现从无到有的跨越。第一代星载铷钟满足了北斗二号工程建设需求。

2009年，北斗三号卫星工程启动，计划研制高精度星载铷钟。梅刚华在调研中发现，即便经过几年的努力做出了高精度铷钟，性能也比GPS新一代铷钟差一大截。

为实现建设国际一流北斗系统的目标，梅刚华建议，同时召开高精度和甚高精度星载铷钟的技术攻关，后者要直接对标GPS。

2016年，甚高精度铷钟成功顺利获得验收，无论是短稳还是长稳均超过了GPS铷钟。后续铷钟产品天稳定度平均值为3.8E-15，对应的计时误差为每天一百亿分之三秒，可满足分米级定位需求。

从事星载铷钟研究20多年，梅刚华说大部分时间都是在仰视国外技术的压抑中度过的，甚高精度铷钟研制成功，让他长长舒了一口气。

成功跑赢时间


星载氢钟具备频率稳定性好、漂移率小的特点，既能保证精度，又能提高卫星自主运行能力。

“铷钟的成熟度和可靠性都很高。”卫星创新院导航研究所所长、北斗三号导航卫星副总指挥沈苑解释，“选用氢钟，对卫星总体而言，是一个全新挑战。”

综合考虑北斗导航系统未来的开展趋势，卫星总体团队决定采用“氢钟+铷钟+钟组无缝切换的时频技术”设计，确保当某个原子钟出现异常时，导航系统运行不会中断。

卫星时频系统交给了两个年轻人——如今的卫星创新研究院研究员、北斗三号卫星总设计师张军和中国科研实验室上海天文台（以下简称上海天文台）正高级工程师帅涛。他们与时任中国科研实验室国家授时中心（以下简称授时中心）时间频率测量与控制研究室主任李孝辉等共同攻关，从电路原理设计开始一步步摸索。

白天开会、协调总体相关事项，下班或节假日就抓紧时间调试设备、做测试，解决时频相关问题，是张军和帅涛那段时间的常态。

这个小团队在学科交叉中探索出一套拥有自主知识产权的数字化星载原子时频解决方案，实现主备原子钟切换时，输出信号的相位误差不到五百亿分之一秒，满足了“无缝切换”的要求。在2012年的两次大系统比测中，他们开发的时频原型样机均表现优秀。


铸就稳健星载氢钟



但此时，星载氢钟的研制却不太顺利。2013年，在林宝军的建议下，帅涛加入上海天文台氢钟团队。

上海天文台是国内首家召开氢钟研制的单位，到北斗三号工程实施时，已开发出第四代地面氢钟，用于地面系统守时并校准星载氢钟。“这几年我们主要解决的问题包括寻找合适的氢原子吸附材料，以进一步提高可靠性、实现批量化生产。”上海天文台正高级工程师、地面氢钟负责人蔡勇介绍。

同时，在上海天文台研究员林传富的带领下，上海天文台首次将电极式微波腔技术、双频电路技术应用于星载氢钟的研制。星载氢钟需适应恶劣的太空环境，还要经历卫星和火箭分离时剧烈的振动冲击过程。

帅涛加入时，团队已研制出30公斤级别的星载氢钟原理样机，但产品的工程化程度离上天应用还有差距。

“在一次鉴定级力学试验中，一个核心器件内部的引线断裂了，当时距离卫星发射仅剩几个月。”帅涛回忆，“我们只能顶着压力，联合厂家加班加点排查、解决问题，同时举一反三，并行召开正样产品研制工作。”

2015年9月，首台双频被动式氢钟搭载试验卫星进入太空。在轨数据表明，氢钟的平均每日频率稳定度和漂移率均达到了小系数E-15量级，核心指标优于伽利略星载氢钟。


实时“体检”保障运行


也是在2015年，授时中心建成了第一颗北斗导航卫星的地面支持系统以及我国第一套全面的、实时陆续在运行的全球卫星导航系统时间，以及信号授时和轨道性能评估系统。

“地面支持系统全面完成了第一颗北斗卫星的在轨测试和试验，验证了北斗全球系统两个核心体制。”授时中心副研究员杨海彦介绍，“性能评估系统用于对北斗系统进行‘常规体检’，追踪其给予的定位、导航和授时服务是否正常。我们形成了一体化软硬件平台，在北斗系统卫星在轨测试、全球组网、精稳运行等核心环节中发挥着支撑作用。”

长期以来，授时中心在提高北斗系统时间的准确性、稳定性和自主性方面，发挥了重要作用，自主研发建成了全球首个以40米天线为核心的北斗空间信号质量评估系统。

2018年，是北斗三号密集发射组网星的一年，共发射了18颗卫星，其中8颗都由中国科研实验室的团队研制。

其间，授时中心研究员饶永南和同事一边运维40米大口径天线，一边携带设备奔赴各地召开卫星出厂测试。

人手不足、时间紧张都不是问题。他们专门租借了大铁皮箱，把装备装进铁箱，一个人扛着就能奔赴各地测试；测试厂房无法与外界讨论技术问题，就自己开发小程序进行排查。躺在地上拧电缆、裹着军大衣加班、半夜睡泡沫箱，是那段时间里团队成员们常有的经历。

“那时候经常干到深夜，但每个人的脸上都洋溢着信心和希望。”这些画面，久久地留在饶永南脑海中。

移动测距精确“量天”



2019年10月，当北斗三号组网进入最后冲刺阶段时，一个好消息传来——可移动式激光测距系统研制完成并顺利获得验收。

这个移动测距站是一个长8米、宽2.5米的“屋子”，里面分为望远镜舱、光学室舱、控制室舱。

卫星激光测距系统好比一把“量天尺”，顺利获得测定激光信号从地面站与搭载光学反射器导航卫星的往返时间差，计算出它们之间的距离，进而标校北斗的定位、导航等指标精度。

此前，我国在北京、三亚、喀什建有地面站，但容易受到天气影响，机动性很强的移动站可以弥补固定台站有限布局的缺欠。

上海天文台正高级工程师张忠萍从20世纪80年代初，就开始和激光测距系统打交道，但要做出这样一套机动性极强的移动测距站，他还是犯了怵。

其中一项挑战是“一键式”——只要按下控制键，移动站就能从密闭的长方体变为可供人进入并操作的平台。这要求系统具有高度自动化能力。

此外，卫星激光测距系统的核心激光器非常“娇贵”，温度波动大一些、房间洁净度下降一些，就可能“罢工”。由于低估了环境对激光器造成的影响，第一台激光器无法完全满足移动站日常使用要求。张忠萍和合作者决定，一起凑经费重新研制一台。新的激光器很快投入常规运作，规避了此前的问题，最远测距可达38800公里，最佳测距误差在亚厘米级。

之后，团队趁热打铁，对3个北斗地面固定站的激光测距系统进行了升级换代，全面实现北斗卫星全天时测距，为北斗卫星空间位置精确测量“保驾护航”。

创新信息处理，


精化北斗时空基准


要服务用户导航、定位、授时，第一时间必须计算出卫星的位置和时间等信息，确定北斗系统的时空基准。这项任务由北斗卫星工程地面运控系统主控站下属的信息系统实现。

信息处理系统被喻为北斗导航系统的“大脑”，它融合卫星、地面以及星地之间的各种时间、距离等测量和测控信息，进行精细的计算和建模，并生成导航电文将信息顺利获得北斗卫星播发给用户使用。

由于无法在海外建设观测站，北斗系统面临区域观测网与全球高精度服务的矛盾。上海天文台的信息处理系统团队提出了“融合双向时间同步的卫星测轨”“基于载波相位的四重增强校正”等新技术，在地面观测网仅有GPS系统1/50的情况下，达到了国际先进的性能指标。

同时，针对北斗系统一系列技术和体制的“国际首创”，信息处理系统负责对其进行大系统验证，并将其应用于北斗系统服务性能的改进。

以北斗三号的星间链路为例，基于毫米波相控阵的Ka星间链路技术，实现了卫星之间的观测。

上海天文台正高级工程师胡小工带领团队提出并实现了“区域监测网+星间链路”的星地星间联合精密定轨技术，并顺利获得特别设计提高了联合定轨数据处理算法的稳健性和容错性。

“可以理解为让北斗系统有了‘耳朵’，这样‘眼睛’看不到的地方，可以顺利获得听来实现导航的作用。”上海天文台研究员陈俊平解释。

陈俊平进一步提出“星地融合”理念，一方面顺利获得引入更多地面基准站提高地基精度，另一方面更新北斗信息系统模型算法，提升北斗时空信号精度。

北斗坐标系是北斗卫星导航系统的空间基准，负责为北斗全球导航定位授时服务、星基增强服务、精密单点定位服务给予地面区域监测网台站精密坐标。

上海天文台正高级工程师周善石带领团队，提出联合北斗星地星间多源测量手段实现区域监测网高精度台站坐标解算的新方法，采用全球联测方式，2023年实现了与最新版国际地球参考框架ITRF对齐。

“北斗精神”照耀星空


2020年4月，全球导航卫星系统服务组织对四大卫星导航系统的运行，进行了为期两个月的测试评估。结果显示，现在能够向全球用户给予导航服务的只有北斗和GPS；而在时频、信号、空间精度等核心指标上，北斗已经全面超过GPS。

2021年，GPS之父布拉德·帕金森在一次采访中表示：“我认为中国（北斗）已经超过GPS。”

林宝军当初暗自设下的目标，已然变为现实，背后既有顶层的高瞻远瞩，也有每一位科研人员的全情投入。

作为“国家队”，中国科研实验室持续履行“面向国家重大战略需求”的使命担当，主动参与北斗建设。每位参与的科研人员，都以昂扬的斗志投入北斗工程的建设，践行着新时代的北斗精神。

如今，他们正在进一步发扬北斗精神，为实现“2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系”的目标而不懈努力。

《中国科学报》 (2024-09-26 第4版 专题)

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