（北斗三號全球?qū)Ш较到y(tǒng)首組衛(wèi)星技術(shù)創(chuàng)新亮點解析）11月5日，時隔一年多，中國北斗再次出征——北斗三號首發(fā)雙星開始執(zhí)行我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略的第三步任務(wù)。這一次，北斗從區(qū)域走向了全球。此前，我國已經(jīng)建成了由14顆組網(wǎng)衛(wèi)星和32個地面站天地協(xié)同組網(wǎng)運行的北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，即北斗區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗三號首組衛(wèi)星的成功發(fā)射為其后續(xù)全球組網(wǎng)建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)。“該系統(tǒng)建成后，我們在世界上任何一個地方都可以享受到北斗服務(wù)?！敝袊教炜萍技瘓F公司五院北斗三號衛(wèi)星總設(shè)計師王平憧憬道。據(jù)五院北斗三號工程副總設(shè)計師、衛(wèi)星首席總設(shè)計師謝軍介紹，早在北斗二號正式提供區(qū)域?qū)Ш蕉ㄎ环?wù)前，我國就開始了北斗三號全球?qū)Ш较到y(tǒng)的論證研制工作，確定了建設(shè)獨立自主、開放兼容、技術(shù)先進、穩(wěn)定可靠的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展目標。針對全球?qū)Ш椒?wù)需求，北斗三號采用了一系列創(chuàng)新技術(shù)，力爭使該系統(tǒng)建成后性能與GPS等世界一流衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相當，達到國際先進水平。新一代銣原子鐘精度大幅躍升作為關(guān)鍵載荷產(chǎn)品的原子鐘，素有“導(dǎo)航衛(wèi)星的心臟”之稱，在導(dǎo)航衛(wèi)星上發(fā)揮著提供時間基準的作用，其準確度和穩(wěn)定度將直接影響導(dǎo)航衛(wèi)星的定位、測速和授時精度。目前，國際上導(dǎo)航衛(wèi)星使用的原子鐘主要有銣原子鐘、氫原子鐘、銫原子鐘等，我國早期發(fā)射的北斗衛(wèi)星多采用銣原子鐘。為了提高全球服務(wù)的精度，北斗三號首發(fā)雙星上配置了新一代高精度銣原子鐘?！霸撱滅婓w積更小、質(zhì)量更輕，通過電路噪聲抑制技術(shù)、溫控電路改進等措施，大幅提升了關(guān)鍵性能指標?！蔽逶何靼卜衷恒滅姰a(chǎn)品責(zé)任人屈勇晟介紹，新一代高精度銣原子鐘每天的頻率穩(wěn)定度比過去提高了10倍，達到世界先進水平?！跋鄬τ诒倍范杻?yōu)于10米的定位精度，北斗三號全球?qū)Ш较到y(tǒng)的定位精度將提升1~2倍，達到2.5米~5米水平，測速和授時精度也同步提高一個量級，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更深入廣泛的社會應(yīng)用打下基礎(chǔ)?！蓖跗秸f。除了銣原子鐘，北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的后續(xù)組網(wǎng)衛(wèi)星上還將配置性能更高的新研國產(chǎn)氫原子鐘。氫原子鐘雖然質(zhì)量和功耗比銣原子鐘大，但穩(wěn)定性和漂移率等指標更優(yōu)。2015年，我國首次在軌應(yīng)用驗證氫原子鐘，截至目前其功能、性能穩(wěn)定，為北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)進行了技術(shù)探索。10年以上長壽命保持連續(xù)服務(wù)一般用戶可能不會想到，每次享受北斗服務(wù)，都需要動用至少4顆導(dǎo)航衛(wèi)星。北斗作為一個覆蓋全球的系統(tǒng)工程，要提供連續(xù)、穩(wěn)定的服務(wù)，至少需要20多顆衛(wèi)星同時運行，且信號不中斷。這樣的特性使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對產(chǎn)品可靠性的要求更為嚴苛。開放的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不僅關(guān)系著我國國家安全和經(jīng)濟發(fā)展，也將是為全人類提供時間坐標和空間坐標的重要基礎(chǔ)設(shè)施。“就像停水、停電影響城市生活一樣，北斗導(dǎo)航服務(wù)一旦中斷，國家和社會的正常運行也會受到很大影響?！蔽逶罕倍啡栃l(wèi)星總指揮遲軍說。為提高衛(wèi)星在軌服務(wù)的可靠性，北斗三號衛(wèi)星的設(shè)計壽命由原來的8年提升至10~12年。更重要的是，研制隊伍首次提出“保證服務(wù)不間斷”的指標。目前，北斗系統(tǒng)非計劃中斷指標壓縮至每年0.4次，低于國際其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在總結(jié)北斗二號經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，科研人員進一步提升了對北斗三號連續(xù)性、穩(wěn)定性和可用性的要求：為衛(wèi)星元器件選擇設(shè)置了更高門檻，使衛(wèi)星具備自主修復(fù)功能，對軟件檢測進行了更多保障等。“不放心”的他們?yōu)榱烁纳朴脩趔w驗，還采用多重可靠性“加固”措施，最大限度地增強系統(tǒng)的保險系數(shù)。比如，保證系統(tǒng)建成后運行衛(wèi)星數(shù)量大于服務(wù)必需衛(wèi)星數(shù)，即衛(wèi)星有冗余。再如，在星上配備多臺銣原子鐘，形成“雙保險”一起提供服務(wù)，即單機雙備份。“航天的質(zhì)量就是我們的生命，用嚴格管理確保產(chǎn)品質(zhì)量，讓中國人乃至全球用戶用上更滿意的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，就是我們的工作目標?！敝x軍在接受媒體采訪時曾說。這也是北斗三號研制團隊的共同追求。王平介紹，首發(fā)雙星在發(fā)射場貯存期間，試驗隊對型號的蓄電池和火工品全部進行了更換，以使產(chǎn)品處于最佳狀態(tài)。這樣的“大動作”帶來了后續(xù)一連串繁瑣的檢驗工作?！皟煽偂庇H自督戰(zhàn)，確保過程可控。不僅如此，在全集團開展質(zhì)量大檢查的背景下，北斗三號團隊還對型號進行了徹底的質(zhì)量復(fù)查。2顆衛(wèi)星有18000多個鉭電容，隊員們拿著留檔照片一個個對照檢查其極性是否正確；整顆星有18個單點故障模式，大家為每種模式制定控制舉措并落實到位……研制人員通過一系列措施，保證任務(wù)的萬無一失和服務(wù)的連續(xù)穩(wěn)定。相控陣星間鏈路監(jiān)測境外衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星的精度需要地面站實施測量和標定。長期以來，我國無法像美國一樣在全球建立地面站。為解決境外監(jiān)測衛(wèi)星的難題，相較于區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的一大特色就是首次配置了星間鏈路。這是北斗三號提高全球?qū)Ш椒?wù)質(zhì)量的重要手段。所謂星間鏈路，就是在衛(wèi)星之間搭建起通信和測量的鏈路?！靶情g鏈路能夠讓我們看不見的、在地球另一面的北斗衛(wèi)星，與我們頭頂?shù)谋倍沸l(wèi)星取得聯(lián)系?！蔽逶罕倍啡栃l(wèi)星副總設(shè)計師張立新解釋說。北斗三號導(dǎo)航系統(tǒng)采取了星間傳輸、星地傳輸功能一體化設(shè)計，實現(xiàn)了高軌、中軌衛(wèi)星及地面站的鏈路互通。目前，國際衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中也只有GPS導(dǎo)航系統(tǒng)具備星間鏈路。星間鏈路還是北斗衛(wèi)星實現(xiàn)自主導(dǎo)航的關(guān)鍵。“自主導(dǎo)航是指即使地面站全部失效，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星也能通過星間鏈路提供2個月的精準定位和授時?！蓖跗秸f。自主完好性監(jiān)測提高安全系數(shù)作為中國自己的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，北斗三號在立項之初便被賦予了更多期待。“除了能提供定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)以外，北斗三號還在世界上首次實現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌自主完好性監(jiān)測功能?！蓖跗津湴恋乇硎?。所謂完好性，就是當導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)精度誤差超限時，向用戶發(fā)出及時、有效告警的能力。這一其他衛(wèi)星不太考核的指標，對于重視用戶體驗的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星來說，卻是極其重要的。以航空領(lǐng)域為例，目前，其導(dǎo)航綜合利用了微波導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等多種手段來保證飛行、著陸的安全性。在傳統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航中，以往國際上所有導(dǎo)航衛(wèi)星的完好性都是基于地面對于衛(wèi)星的監(jiān)測。由于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的地面站較少，地面系統(tǒng)的全球連續(xù)完好性監(jiān)測與實時告警時間一般需要數(shù)十秒到幾小時。飛機偏離航線或者跑道，較難被快速發(fā)現(xiàn)和糾正，存在巨大安全隱患?！熬邆渥灾魍旰眯员O(jiān)測功能的北斗三號能星上自主判斷錯誤，在幾秒之內(nèi)向用戶終端發(fā)出告警信號，終端會自動優(yōu)選信號更完好的北斗衛(wèi)星進行導(dǎo)航，避免事故的發(fā)生?！睆埩⑿抡f，這一功能對民航、自動駕駛等生命安全領(lǐng)域用戶來說，具有極強的實用價值。新導(dǎo)航信號體制在軌維護重構(gòu)衛(wèi)星導(dǎo)航信號是導(dǎo)航衛(wèi)星為用戶提供服務(wù)的載體，決定著導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)提供的導(dǎo)航定位精度。為解決實際使用中遇到的導(dǎo)航信號定位精度不高等諸多問題，北斗三號設(shè)計了全新的導(dǎo)航信號體制，采用將導(dǎo)航測距和數(shù)據(jù)信號分離的新型調(diào)制方式進行下行導(dǎo)航信號生成，并在同一個頻點中播發(fā)多路信號，服務(wù)于不同用戶。“新體制不僅兼容北斗二號導(dǎo)航信號，還增加了新的導(dǎo)航信號，能提供更優(yōu)質(zhì)、便捷的服務(wù)?！蓖跗秸f。區(qū)別于以往的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗三號的有效載荷系統(tǒng)還創(chuàng)新設(shè)計了強大的在軌重構(gòu)功能，用來對衛(wèi)星進行維護和升級?！皩?dǎo)航信號不夠用”、“信號質(zhì)量不好”等各種問題，都可以通過注入軟件來解決。隨著北斗的應(yīng)用越來越廣泛，用戶對于導(dǎo)航衛(wèi)星可提供的服務(wù)需求也會隨之增加。“到那時，只要改變有效載荷中的部分軟件，就能實現(xiàn)新的導(dǎo)航功能?！睆埩⑿抡f。3軌道衛(wèi)星構(gòu)型實現(xiàn)功能拓展中國的北斗可以說是全世界唯一一個由3種軌道衛(wèi)星構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗三號全球?qū)Ш较到y(tǒng)的衛(wèi)星主要分布在中圓地球軌道（MEO），少量也分布在地球靜止軌道（GEO）和傾斜地球同步軌道（IGSO）。北斗三號首發(fā)雙星作為中圓地球軌道衛(wèi)星可以游走全球，是GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的通用軌道；地球靜止軌道一般是通信衛(wèi)星使用，未來運行于該軌道的北斗衛(wèi)星還可以發(fā)揮其獨具特色的短報文通信和星基增強功能；傾斜地球同步軌道衛(wèi)星則更側(cè)重于區(qū)域?qū)Ш健！氨倍啡栕鳛橐粋€星座，未來發(fā)展既要向下兼容，也要向上兼容。”張立新口中的“上下兼容”指的是北斗三號后續(xù)除了具備導(dǎo)航、定位、授時等基礎(chǔ)功能，還將有增量發(fā)展方案?！跋乱徊轿覀儠驯倍啡柕膶?dǎo)航和通信功能結(jié)合起來，增加衛(wèi)星的搜救、全球位置報告、星基增強甚至對高軌衛(wèi)星的空間導(dǎo)航功能?！蓖跗窖a充道。一個更高精度、更長壽命、更可靠、更安全、更多功能的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，正在建設(shè)者們的努力下加速布局著。（作者 崔恩慧）文章由企鵝科學(xué)和科普中國聯(lián)合推出轉(zhuǎn)載請注明來自“科普中國”