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北斗收官之星成功发射!“北斗星座”闪耀上海智慧
2020-06-28 11:24  来源:上海科技 文汇报 

  6月23日上午,北斗三号最后一颗全球组网星成功发射。

  从2009年启动,到今天第30颗星上天,北斗三号系统的建成,标志着我国自上世纪八十年代开始探索的适合国情的卫星导航系统发展“三步走”发展战略,画上圆满句号。

  24颗中圆地球轨道、3颗地球静止轨道、3颗倾斜地球同步轨道,闪耀在苍穹的北斗卫星,几乎每一颗都凝聚有一份来自上海科研人员的心血与贡献。

  “一星通,星星通”

  让卫星也能“天上对话”

  位于浦东张江的中国科学院北斗导航卫星研制团队先后完成了北斗三号系统中12颗卫星的研制和发射,为北斗导航系统2018年建成基本系统、提供全球服务,2020年完成完整系统建设,也为中国北斗全球卫星导航系统建设提供出全新的解决方案。

  今年,这支队伍成立刚过十年,团队成员平均年龄不过三十多岁,可谓是航天领域的一支新兵。而正是这支“后生可畏”的力量,将更多的创新灵感注入了稳字当先的卫星研发中。在北斗三号的研发过程中,他们完成了数以百计的关键技术攻关上星应用。

科研人员在对北斗三号卫星进行精度测量(中科院微小卫星创新研究院供图)

  在航天领域有条不成文的规定,每颗星上使用的新技术一般不超过三成,可这个团队在首发试验星上就使用了近八成的新技术。

  以创新驱动发展,大胆尝试卫星设计思想、管理形式的整体变革,这支年轻的团队采用框架面板结构、单独星敏感器定姿、高功能密度综合电子架构等技术,打造了“中科院导航卫星专用平台”,有效增强了卫星的适应能力和可扩展能力。

  他们提出了独创的“功能链”设计理念,最大限度对卫星内部资源实现了优化整合,将原先用于控制的20多台计算机改用一台高性能计算机替代,在提高功能密度的同时,大幅降低成本。

  更值得一提的是,他们在星间链路技术上取得突破,实现了“一星通,星星通”,让卫星能够“天上对话”,解决了制约北斗全球组网的瓶颈问题。

北斗三号在发射场进行总装(中科院微小卫星创新研究院供图)

  继首发试验星之后,该团队在后续北斗三号全球组网星的研制中,还突破了卫星自主诊断恢复技术,让卫星具有了“自诊断、自恢复”能力。在完全没有地面干预的情况下,卫星可以进行自主健康诊断、故障隔离和恢复,大大提高了卫星的可用性。

  此外,北斗三号还首次采用基于大功率氮化镓的固态放大器,有效提高信号质量;突破了高精度时频无缝切换技术,为实现全球系统信号的高连续性奠定了基础;采用国产龙芯+FLASH的架构,填补了国产航天处理器的空白,并实现核心器件全部国产化,带动了整个产业链的发展。

  目送最后一颗北斗三号全球组网卫星成功发射入轨的同时,这支团队已开始新的征途。根据我国导航战略需求,2035年还将建设更加泛在、更加融合、更加智能的综合定位导航授时系统。他们将为下一代导航卫星继续奋战。

  打造北斗强劲“心脏”

  600万年才误差1秒

  时间和空间位置信息,都是一个国家重要的战略资源。获取卫星的位置信息和星上精准的时间信息,是导航卫星最核心的两大参数——十亿分之一秒(1纳秒)的时差,就会导致0.3米的距离误差。

  要实现分米级、厘米级的导航定位精度,北斗卫星必须有一颗强劲而靠谱的“心脏”——星载原子钟,同时还要有一个敏锐清醒的“大脑”——信息处理系统。

  2002年,中国科学院上海天文台在多年研制地面主动型氢原子钟的基础上,启动了被动型星载氢原子钟的研究。2015年,由他们完成的我国首台星载氢原子钟,随新一代北斗导航卫星升空。

北斗三号上的星载氢原子钟正样模型(上海天文台供图)

  五年来,跟随北斗卫星上天的氢钟性能不断提升,且已完全实现元器件、原材料、核心技术的自主可控。这次,上海天文台提供的一台氢钟跟随“收官星”上天,其精度已达到每天误差小于1纳秒,这相当于600万年才误差一秒,是目前天上性能最好的原子钟之一。

  就在北斗收官之际,上海天文台的科研人员已研制出更加轻巧的北斗“心脏”:成功将氢钟从23公斤减重到13公斤,年底将有3台交付用户,用于明年北斗补网卫星。

上海天文台科研人员为研制中的氢钟做测试(上海天文台供图)

  有了强劲“心脏”,还要有敏锐“大脑”。上海天文台为北斗研发了能够实时修正误差、多备份的“最强大脑”,以达到“快、准、稳”的定位要求。

  为了做出“最强大脑”,中科院上海天文台信息处理系统技术负责人胡小工带领团队经历了“从科学家到工程师”的痛苦转型。

  要把牛顿、爱因斯坦留下的,用来计算自然天体的公式,用到在轨卫星这种人造天体的轨道计算上,他们遇到了太多意想不到情况。最终,他们克服种种不利条件,在全球首次提出并实现了“区域监测网+星间链路”的星地星间联合精密定轨技术,并特别设计了算法,最终实现了北斗三号的精密定位性能指标。

  为进一步演算北斗精度,上海天文台还研制了一把特制的激光“量天尺”——国内首套可移动式全天时卫星激光测距系统,最远测距可达38800千米,成功应用于北斗卫星厘米级精度激光测距。这些都为我国北斗卫星导航实现全球服务做出了不可替代的关键性贡献。

  地基增强

  让定位服务像互联网一样便捷

  如果说,微小星研究院和上海天文台都在为北斗导航系统的组网而攻坚不辍,那么千寻位置这家上海高科技企业,则是通过云计算、大数据处理,利用自己精通擅长的算法,让“北斗信号”变成使用移动互联网一样的便捷服务体验。

  厘米级定位、毫米级感知、纳秒级授时,是千寻位置在过去五年里,为全球卫星导航领域所构建的全新系统所达到的效果。截至2019年,这套系统的高精度服务,已可覆盖除无人区外的国内大部分地区。

千寻位置定位系统显示的农业植保无人机作业演示图,定位精度达到厘米级,可有效减少农药喷洒量(千寻位置供图)

  “北斗完成全球组网,我们年内就会同步提供全球增强服务,全链路支持北斗三号最新信号。”千寻位置首席执行官陈金培表示,目前公司两款核心产品均已支持最新信号。

  2019年11月开始,千寻位置就把北斗卫星地基增强站内的核心设备,替换成为自主研发的“潜龙”时空服务器,提升对北斗三号在内的所有卫星导航公开服务信号的处理能力,替换工作已近尾声。

  随着北斗全球组网星的成功发射,陈金培相信,一个更加广阔的市场即将浮现,“未来三年,北斗加速定位将服务超过10亿用户”。

  过去五年,千寻位置与全球主流芯片厂商、行业伙伴携手合作,已经在自动驾驶、行业升级、测量测绘、智能城市、公共服务等领域,将北斗高精度定位技术与5G、人工智能结合,推动北斗应用落地。根据预计,今年内搭载北斗高精度定位技术的自动驾驶汽车,将有六款车型正式量产并上市。

千寻位置定位系统场景演示图,未来每辆车都会被打上精准时空标签,更好实现车路协同(千寻位置供图)

  北斗导航打开的天地极其辽阔。2019年,千寻位置发起“北斗智造者”大赛,开放相关技术平台,让各类创新企业和个人共同参与高精度定位能力的应用开发。结果,参赛者中95后占了四成,七成参赛者不超过35岁。

  6月23日是北斗系统全球组网收官之日,更是北斗导航应用新纪元的起航之日。

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