从“上天”到“下凡”，“北斗人”的专属浪漫
北斗导航卫星在轨示意图。卫星创新院供图
■本报见习记者 江庆龄
“为您提供北斗车道级领航。”
这样的提示音，每天都在全国各地响起。
2020年7月31日，“十三五”即将收官之际，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，标志着中国耗时26年、从一号到三号先后发射55颗卫星的自研卫星导航系统终于建成。自此，中国成为第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。
“十四五”期间，“北斗”进一步从天上“下凡”，融入普通人的生活。无论是寻找最佳出行路线、观看一场精彩的无人机表演，还是“扫街”品尝美食，都有北斗导航系统的身影。
这背后，离不开全国400多家单位、30余万科研人员的接力攻关。作为科技“国家队”，中国科学院深度参与卫星总体、时空基准等研制工作，为北斗导航系统全球组网作出了突出贡献。
未发生一次运行故障
“导航系统太重要了，不仅影响着人们的日常生活，也和一个国家的文化、金融、军事等息息相关。”中国科学院北斗三号卫星系统首席总设计师、中国科学院微小卫星创新研究院（以下简称卫星创新院）研究员林宝军告诉《中国科学报》。
北斗三号全球卫星导航系统组网阶段的主要目标是把卫星建好，运行阶段的主要目标则是管好、用好。
过去5年间，众多高校、科研院所、企业等共同努力，在北斗卫星导航系统应用端持续发力，在交通运输、农林牧渔、防灾减灾与应急管理等关键行业中实现了从“可用”到“好用”，再到“必用”的转变，催生了巨大的经济和社会效益，“北斗+”产业生态日益壮大。同时，北斗卫星导航系统也在不断走出国门，迄今已服务140多个国家和地区。
总结北斗系统全球组网“成绩单”，林宝军十分自豪：“超出预期！稳定性、精准度和连续性等核心指标，均达到世界一流水平，其间未发生一次中断稳定运行的故障。”
究其原因，在于北斗三号组网卫星每一颗都非常“皮实好用”。
紧密合作，为“北斗”保驾护航
按以往研制流程，关键技术攻关需要10年，卫星在轨工作10年，卫星寿命终结时，技术往往落后于时代20年。自担任北斗三号卫星总设计师以来，林宝军带领团队进行了大刀阔斧的改革。
一方面，林宝军力排众议，坚持为卫星“瘦身”。团队将原来十几个分系统合并成电子学、控制、结构、载荷四大“功能链”，卫星一下从2000千克“减重”至847.6千克，整体可靠性反而提升了。
另一方面，团队创新凝练出“长板理论”，即卫星的硬件指标按“最长的板”来设计，凡是“跳一下就可够到”的新技术就去用。同时，对配置进行前瞻性规划，“后墙”不倒的前提下，选用成熟的元器件和工艺路线。
在这一理念下，众多欧美从未尝试过的新技术，在中国科学院北斗团队中诞生，并纷纷用在北斗三号组网卫星上。
“组网后，具体应用端的拓展，主要由其他单位完成。中国科学院团队主要为下一代北斗系统提前攻关谋划。”林宝军表示，“同时也有一部分力量为北斗稳定运行保驾护航。”
中国科学院上海天文台（以下简称上海天文台）研究员胡小工、陈俊平等带领的信息处理系统团队，正是其中一支重要力量。
为保障北斗导航系统的全球服务能力，他们提出并实现了“区域监测网+星间链路”的星地星间联合精密定轨技术，并进一步提出“星地融合”理念，将“北斗高轨卫星+低轨卫星+地面”数据一体计算，通过星基增强系统实现信息增强，减少预报误差，实现“通导一体”，提升北斗时空信号精度。
“我们主要关注卫星上的信号好不好、通过卫星反映的信息是否准确。”胡小工介绍，“在参与过程中，我们也逐渐认识到，完成北斗系统这么大的工程，需要不同团队、单位的紧密合作。”
承前启后，持续“上新”
按照卫星导航系统国际惯例，组网后，一年会发2～3颗备份卫星，当组网卫星出现问题时可及时“入列”。因此，在立项之初，备份卫星便采取“地面备份为主、按需发射入轨”的策略。
“北斗三号组网星的设计寿命为10年，在轨期间表现很好。”林宝军表示，综合考虑下，5颗备份卫星在“十四五”期间陆续发射。
其中，第五十九颗、第六十颗北斗导航卫星由卫星创新院抓总研制。2024年9月19日，两颗卫星在西昌一箭双星发射。作为北斗三号“备份收官星”，这两颗卫星升级了星载原子钟配置，搭载了新型星间链路终端。
在支撑北斗系统稳定运行和北斗规模应用的同时，这两颗备份卫星还将为下一代北斗导航卫星技术升级进行相关试验。
值得一提的是，其中一颗卫星搭载了一个由上海天文台氢原子钟团队研制的15千克级氢原子钟。
“导航系统最重要的是时频技术，而时频技术中最核心的是原子钟。”林宝军表示。北斗三号组网卫星以23千克级的氢原子钟为主，可实现“每300万年误差仅1秒”。
“卫星能够承载的载荷重量有限，如果想增加功能密度，就需要将星上的配套产品尽量小型化、轻量化。”上海天文台研究员帅涛介绍。
根据总体需求，上海天文台的氢钟团队拟定了“两步走”计划——先完成15千克级小型化星载氢原子钟，再实现10千克级。他们联合相关单位，先后攻克高Q值电极式微波腔、新型电离源系统、高效真空系统、集成化电路系统等多项关键技术。
“航天科技集团五院抓总研制的两颗备份卫星上也搭载了15千克级氢钟。”帅涛补充道，“第二步我们也顺利完成了，研制的8千克级氢钟已应用到地月空间DRO先导卫星。”
下一代“北斗”，在路上
“参与中国科学院战略性先导科技专项‘地月空间DRO探索研究’，是‘十四五’期间中国科学院北斗团队的另一项代表性工作。”林宝军表示，“专项可以视为下一代北斗系统的先行工作，肩负着抢占DRO战略高地和时频科技制高点的使命。”
地月空间，特别是远距离逆行轨道（DRO），具有独特的动力学稳定性，被视为未来人类深空探索的“十字路口”和“前哨站”。DRO专项将推动下一代北斗系统把“路标”从地球周边延伸至月球甚至更远的深空，为载人登月、月球基地建设、火星飞船等提供导航和通信服务。
然而，该计划的核心组成部分DRO-A/B双星组合体，在发射初期便遭遇严重故障，一度濒临失败。凭借多年和卫星打交道养成的直觉，林宝军等在第一时间组织相关系统，制定详细的“太空救援”方案。
从2024年3月13日至7月15日，123天时间，历经5次轨控、5次修正、3次日月借力，两颗卫星最终顺利入轨，这在全球引起轰动。目前，基于DRO的地月空间三星星座已成功构建，陆续取得多项原创性成果。
在工作全流程精益求精，确保成功率；出现意外也不轻易放弃，沉着冷静力挽狂澜……以往种种，足以展现这支团队的实力。
林宝军感叹：“过去十几年间，我们锤炼出一支勤于学习、勇于创新、敢于挑战、善于合作、甘于奉献的北斗‘战神’团队，伟大的事业没有变，建设世界一流卫星导航系统的初心没有变，建设航天强国的使命没有变，为之奋斗的激情没有变。”
“干航天是一个很浪漫又很实在的事业。”卫星创新院导航卫星总体研究所所长、北斗三号导航卫星系统副总指挥沈苑说，“这是时代赋予我们的机遇，如果不是国家综合国力和科技发展，我们不可能有机会从事‘北斗’这份代表国家最高科研水平之一的工作。”
2024年11月28日，《北斗卫星导航系统2035年前发展规划》正式发布。下一代北斗导航系统将以“精准可信、随遇接入、智能化、网络化、柔性化”为代际特征，优化星座架构，形成高中低轨混合星座，全面提升时空基准维持精度和自主运行能力。
经过5年的积累，面对这个“新题目”，中国科学院北斗团队有了更多信心和底气。林宝军相信，在所有参与单位的共同努力下，下一代北斗导航系统将进一步升级换代，更加泛在、融合、智能的国家综合定位导航授时体系终将实现。
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