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120多个国家开始使用北斗系统,中国的北斗也是世界的北斗

2021-02-25  造就Talk
    说起北斗,总有人问,北斗到底在哪儿?怎么用?

    其实,北斗就在我们的身边,也服务于我们生活的方方面面。

    吃饭这件事就跟北斗有关系。北斗在智能农业系统、自动农机系统当中的应用非常广泛,也许你早上吃的馒头或面包,就是无人驾驶收割机收割的小麦做成的。

    无人驾驶收割机收割小麦

    哈啰在去年3月底先后发布了新款共享单车“云行”和新款共享助力车“云起”,这两款车型均接入北斗定位服务,可以向骑车人精准报告位置。

    即使在高架桥下、楼宇间、树荫下等信号遮挡的地方,共享单车的定位也不会出现“漂移”。

    北斗高精度定位可帮助用户更准确、便捷地找车用车

    坐公交也跟北斗有关系。上海就将北斗卫星导航的高精度融合在地面公交领域,可以使公交实时预报准确率达到95%......

    “北斗的应用只受人类想象力的限制”,未来,它将会走进更多与人们生活息息相关的各个领域。

    冯文婧

    中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部 

    卫星总体主任设计师 

    回溯我与北斗的缘分,要从十年前那个夏天开始。

    2010年我从哈工大毕业,来到航天五院工作。在来的出租车上,司机以为我是做载人航天或者嫦娥的,很热情地跟我聊了好久。当得知我是来做北斗的,他当时就反问,为什么要建北斗?GPS不是挺好用的吗?

    面对这种灵魂拷问,以我当时的技术储备,除了说这是国家战略需要之外,也想不出更好的回答了。但也是从那时候起,我暗自下决心,一定要做好北斗。

    别人“码农”我“码数”?

    刚开始,我主要负责卫星遥测遥控总体设计工作。

    当时正值北斗二号研制任务的高峰期,我先后接手处理了累计五颗星上万个遥测数据。简单来说,我每天对着电脑收集整理、分析数据,并形成一份份上百页的报告。

    工作量繁重且枯燥乏味,时间久了,我开始产生了自我怀疑,这跟我大学学的专业有什么关系,这跟伟大的北斗工程又有什么关系?

    别人码农我码数

    当时还被大学同学打趣,干互联网的被称为码农就算了,没想到干航天的也要做一些码数的工作。那时,我的心里有很大落差,觉得自己的工作微不足道,直到一次卫星飞控任务。

    太阳翼展开指令执行之后,卫星如期发射,然而遥测显示,太阳翼没有完全展开,四个1的锁定状态只出现了三个。卫星在天上,除了遥测,没有人看得到太阳翼到底怎么了。

    现场变得异常安静,所有人的目光都投向了我们遥测岗,压力可想而知。当时我脑海中闪现了很多种可能:遥测解析错了?遥侧校准电压有问题?测控链路出现了异常?再或者真的是太阳翼发生了问题?

    凭借着这一年多来一直在接触这些数据所积累的经验,我很快排除了是遥测解析错误本身的可能性,转移了问题排查的方向。

    太阳翼展开会对卫星的姿态产生扰动,所以紧接着我们又对卫星姿态角速度遥测变化情况进行了快速的判断,并且将它与以往多颗卫星相同事件下遥测变化情况进行比对、分析和计算,最终给出“太阳翼已经展开到位”的结论,并在第一时间汇报给了飞控队长,飞行程序才得以继续进行。

    后面太阳帆板慢慢地对日定向,太阳翼的温度遥测、电流遥测稳步地增加,这也进一步证明了我们之前的结论是正确的。

    这件事情对我的感触非常深,原来我的工作不只是码数这么简单,它的精髓在于挖掘卫星状态背后遥测与遥测间的关联。每一个遥测的存在并不孤立,找到它的好朋友才能让我们更好地为卫星看诊把脉。

    为卫星看诊把脉

    自主创新,搭建北斗天网

    北斗二号收官之后,我转战到了北斗三号的研制建设。不同于北斗二号,北斗三号采用了全新的综合电子架构,它将以往多台单机的功能进行了高效的整合,成为了整星的最强大脑。

    举例来说,导航卫星最大的任务就是要提供连续的、稳定的导航信号,这就要求卫星信号不能中断,或者说出现中断的次数要尽可能的少,出现中断的间隔要尽可能的短。

    北斗三号采用了全新的综合电子架构,成了整星的最强大脑

    但是卫星系统也是由众多的电子器件组装起来的,就像我们的手机、pad、电脑一样,甚至比这些电子产品用到的电子器件要多得多,所以说要想让卫星不中断地提供连续的服务还是很有挑战的,尤其是在复杂的空间环境之下。

    为此,我们一方面自主研发了大量的核心的国产化元器件来保障并提高元器件的固有可靠性;另一方面,作为综合电子总体设计师,我们也要不断地、深入地去和各分系统沟通学习,来掌握各分系统的功能组成、工作流程以及信息处理的逻辑。

    最终,我们从在轨服务连续性、在轨安全保障性等方面提出了100多项自主健康管理功能,大到卫星工作模式、控制模式的自主管理、整星时间系统的自主管理,小到任意一台单机、任意一个电子器件的自主故障检测及快速恢复,来规避任意单点失效所带来的系统中断的风险。

    除此之外,我们的研究团队还在太空中创造性地搭建了一套北斗天网,只要有一颗卫星在中国的领空,那么其他卫星都可以通过它和地面站取得联系,即使在没有地面站支持的情况下,整个星座系统也可以支持一定时间内的在轨自主运行。

    星间链路技术

    两年半,30颗卫星弹无虚发

    2017年开始,我更多地参与到卫星的总体设计以及全周期研制过程中,从单机组批生产到整星组装测试,再到卫星发射飞控、在轨服务保障等。

    北斗工程涉及到整个星座的系统技术以及整个网络的星座产品,这也同时增加了系统设计以及地面试验验证的复杂性。在完成了传统的单站单星单链路接口验证之后,一个新的问题摆在了我们的面前:

    多星系统星间网络协议怎么验证?基于星间链路的全球位置报告等服务又怎么验证?

    建设地面版“北斗系统”,建设地面空间段系统

    为了解决这些问题,我们共同搭建了一套北斗地面试验验证系统。它相当于一套地面版的北斗系统,可以支持天地任意场景、任意业务功能的状态模拟及试验验证需求。

    要在地面建设如此大规模的地面空间段系统,没有以往的经验可以借鉴。

    一方面我们要能够具备模拟天上三种轨道不同种类卫星的功能的状态和30颗卫星的模拟规模;另一方面,整个系统的研制成本还不及天上一颗卫星研制成本的1/10,而且研制周期也只有仅仅不到一年的时间,这对我们来说是一项非常大的挑战。

    我们团队经过了多轮的系统论证和技术攻关,最终设计并实现了基于三种状态模拟器组成的地面空间段系统,解决了多星多业务模拟验证技术以及多频点抗干扰技术等问题,北斗地面空间段系统按期投入到了地面试验验证工作。

    一颗卫星从开始组装到最终具备出厂发射条件大概需要十个月左右的时间,就像怀胎十月的胎儿,要经过不同阶段的各种检测检查,才能确保最终平平安安地出生、健健康康地成长。

    而要在三年内完成30颗卫星发射的目标,这听上去几乎是不可能完成的任务。

    在这个过程当中,我们的团队探索出了一条批厂卫星研制管理的新模式,优化了研制流程,也大幅提高了工作效率,但即便是这样,加班加点、长期出差仍然是我们的工作常态。

    即使时间如此紧张,我们从来没有放松过对北斗的高质量、高要求、高标准。“一纳秒也不放过”、“坚决更换有微小误差的蓄电池”、“首次从太空视角展现北斗卫星帆板展开”的华丽过程,相比于三个月前刚刚发射的同类卫星足足提前了30分钟。

    最终两年半时间,30颗卫星成功发射。

    两年半,30颗卫星,成功发射,弹无虚发

    如今北斗三号已经完成全球组网,正式提供服务。相比北斗二号,它增加了精密单点定位、星基增强、大容量短报文通信、全球位置报告以及国际搜救等业务,可以说是当今世界上功能最多的全球导航系统。

    在轨服务性能相比北斗二号也有了显著的提升,经过测试,全球范围内的定位精度实测结果在五米左右,而亚太地区实测结果在两米左右甚至更优。

    北斗正在融入我们的日常生活

    星空布阵的同时,北斗系统也正在逐步融入到我们的社会生活当中。新冠疫情防控工作当中,北斗高精度测量设备火线支援武汉火神山、雷神山等,在医院建设工作发挥了重要作用。

    首次以北斗数据为主开展珠峰高程测量工作

    五月,中国的珠峰测量登山队第三次成功登顶世界海拔最高的珠穆朗玛峰,这是首次以北斗数据为主开展的珠峰高程测量工作,意义非常重大。

    我还看过一篇报道,某知名国产品牌手机的设计师介绍,他们在对手机进行测试的时候一共接收到85颗全球导航卫星信号,其中35颗是来自于我们北斗二号和北斗三号卫星,而且他们在自主研发的手机芯片当中,已经将北斗和GPS采用了同等优先级,甚至将北斗采用了更高优先级的使用策略来提高手机的定位精度和定位速度。

    北斗在人们的日常生活中越来越重要

    北斗的地位正在不断提升,目前全世界已经有超过120多个国家开始使用北斗系统。

    26年前的银河号事件,23年前的台海危机,我们始终不会忘记,当今世界技术实力与科技创新的重要性毋庸置疑。

    未来,我们只有不断地坚持科技创新,才能在通往未来的道路上继续乘风波浪,拥抱星辰大海。

    本演讲整理自冯文婧在2020年9月在中国航天大会“青聚闵江”青年科学家论坛上的演讲。

    主办方:中国宇航学会、福州大学


    (本文未经造就授权,禁止转载。

    编辑 | 欢欢;视频 | Henry
    版面 | 田晓娜

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