北斗背后的非凡和不易

谢瑞强

    30颗卫星全部就位，中国北斗三号全球卫星导航星座部署顺利完成，对中国航天乃至中国科技而言都是一个历史性的成就。

    6月23日，由中国航天科技集团有限公司五院抓总研制的第55颗北斗导航卫星成功发射，北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

    中国人关于利用人造卫星进行导航定位的设想在上世纪60年代就已经萌生，并付诸实践，与世界同步。 “美国提出‘子午仪’卫星导航系统之后，航天相关单位开始跟踪研究卫星导航技术。我国第一颗人造卫星‘东方红一号’发射成功以后，通信卫星、气象卫星、定位导航卫星等就都进入决策层的视野。当时，卫星导航系统命名为‘灯塔一号’，但由于技术转型、财力有限等原因，该计划在上世纪80年代下马。”

    1983年，以陈芳允院士为代表的专家学者提出了利用2颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标的设想，通过大量理论和技术上的研究工作，双星定位系统的概念逐步明晰。接下来的北斗路，是一步跨到全球组网，还是分阶段走？在当时引发了不小的争议。最终，“先区域、后全球”的思路被确定下来，“三步走”的北斗之路由此铺开。

    今天的北斗，给中国人提了不少气。但很多人不知道的是，北斗卫星导航系统建设“三步走”的第一步——北斗一号系统差点因经费无法迈步。1994年，我国正制定国民经济和社会发展的“九五”计划，有关部门向国务院汇报了北斗立项计划。根据《中国航天报》此前报道，原北斗卫星导航系统工程副总设计师李祖洪介绍说：“当时，包括北斗系统在内，我国有三个卫星项目需立项，另外两个卫星项目已经获批。由于卫星研究经费紧张，有人建议北斗项目考虑先搞预研，国家划拨少量款项进行尝试性预研工作。缺钱是当时北斗一号系统遇到的最大问题，国家少量的拨款不能保证项目完成。”

    看着北斗一号系统项目很可能因经费问题搁浅，参与的研究人员都非常焦急，“在当时的国情下，再向国家单独申请立项经费的可能性非常低，只能内部想办法。刚好，另外两颗卫星项目分别有一颗备份星的指标经费。经过反复协商，大家决定将另外两颗备份星资金拿出来，分给北斗一号项目，解决了制约北斗一号项目继续开展的经费难题”。李祖洪说。

    经过多年研制，2000年，随着两颗地球静止轨道卫星发射成功，北斗一号系统建成并投入使用，其采用有源定位体制，可为中国用户提供定位、授时和短报文通信服务。据航天科技集团五院北斗一号总设计师范本尧院士回忆，国产化从北斗一号的太阳帆板做起，“当时很多卫星都不敢上，北斗是第一个‘吃螃蟹’的，硬着头皮上”。之后的国产化攻关更为艰苦，不论是东方红三号平台的横空出世，还是影响长寿命的关键部件，凭借自力更生的创业精神，以李祖洪总指挥、范本尧总设计师等为代表的老一辈北斗人逐一攻克，终于在2003年建成了北斗一号系统，使我国成为继美、俄之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。

    原北斗一号副总设计师、北斗二号总设计师杨慧曾介绍说：“虽然北斗一号系统是一个比较初级的卫星导航系统，但通过这个系统我们探索了卫星导航系统的原理，满足国防和民用的基本需求，为未来北斗系统的进一步发展奠定了一些基础。

抢出来和熬出来的北斗二号

    采用有源定位原理的北斗一号系统组建成功之后，北斗系统团队开始将目光转向无源定位的卫星导航系统。与北斗一号系统立项之初遭遇经费困难的境遇相比，北斗二号系统在经费方面则顺利得多。

    经费没有成为北斗二号的拦路虎，但技术障碍却让北斗二号“走得”并不容易。首先是频率问题。国际电联将S频段给了导航卫星，僧多粥少的局面让美国和俄罗斯这两个先来者抢占了不少宝贵的频点资源。在北斗二号起步的时候，一个实力强劲的竞争者——伽利略卫星导航系统，让北斗二号不得不与时间赛跑。

    国际电联规定：导航的频点国家或组织都可以申请，第一个申请的有优选使用的权利，其他国家或组织也可以申请，遵循先到先得的规定。即大家都可以申请，但谁先发射卫星并使用了这个频点，为了防止出现相互干扰的现象，其他国家或组织就无法使用这个频点。

    “一开始，欧空局伽利略卫星导航系统和我们都觉得有必要合作，后来我们发现，合作是有条件的，我们无法参与到核心载荷部分，只是一个搭载载荷的用户。出了钱却干这些活，这是不公平的。”杨慧回忆说。

    2004年9月，北斗二号系统建设正式启动。2007年4月14日，北斗二号首颗试验星发射成功，仅用不到3年多的时间就将试验星送入太空，这速度在航天型号当中是难得一见的。杨慧感叹说：“当时卫星处于初样阶段，设备很多都是鉴定件，不是用于飞行的正样件。卫星变完轨，载荷全开，就是为了占住频率，必须与时间赛跑。”

    2007年4月16日，在成功发射的两天后，北京从飞行试验星获得清晰信号，此时距离空间频率失效仅有不到四个小时。此次壮举，有效地保护了我国卫星导航系统的频率资源，为北斗区域导航系统建设有序推进起到了重要的作用。

    当时的研制工作面临很多难题：首先，这是一个多星组网系统，必须通过批量生产和密集发射保证其效应的发挥，但生产能力和长寿命问题是巨大考验；其次，导航系统要提供连续稳定的服务，任何一个小部件的质量问题都会对整个北斗导航星座产生影响，造成服务中断，因此必须保证零缺陷；第三，卫星系统采用许多新技术、新器件、新工艺，攻关难度巨大；其四，研制队伍非常年轻，缺乏必要的系统知识和工程经验。

    在这些难题中，研制国产星载铷钟又是最大的困难。星载铷钟自主研发过程充满了戏剧性。当时，我国准备从欧洲进口，并与欧洲生产星载铷钟的公司签订了合同。但对方提出了一个前提条件，即必须取得瑞士政府颁发的对华销售许可证，至于何时获得许可证、能否取得许可证，对方不作任何承诺。这件事情影响了北斗二号系统的研发进度。作为北斗二号首席总设计师的谢军比谁都清楚：星载铷钟做不出来，工程任务确定的定位精度和研发进程就无法保证。星载铷钟研制工作启动后，经过研制团队的全力攻关，自主研发的星载铷钟终于诞生了，填补了国内空白，指标甚至优于国外产品。在谢军看来，攻克这一难关，靠的就是持之以恒。

    在北斗导航卫星的研制历程中还经历过一些挫折。

    在杨慧的记忆中，研发过程中最难熬的日子是有一次遇到了故障，由于故障数据只有几秒，通过这几秒找出故障的位置和原因，难度可想而知。

    北斗团队成员白天向专家和同行汇报查找问题的进展，晚上通宵查找问题，连续干了一周，困了就在桌子上趴一会，终于在地面复现了问题。

    2010年1月17日，第一颗正式组网的北斗导航卫星发射成功。2012年10月25日，第16颗导航卫星发射，这颗卫星与先期发射的15颗北斗导航卫星组网运行，形成区域服务能力。短短几年内就发射了十几颗导航卫星，此举不仅创造了我国单一型号的密集交付、发射纪录，在国际上也不多见。

    就在北斗二号正式提供区域导航定位服务前，北斗三号全球导航系统的论证验证工作拉开序幕，并明确了研制要求，确定了建设独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的全球卫星导航系统的发展目标，自此，北斗一马当先，开启了从创新发展的新征程。

    站在前两代星座的肩膀上，北斗“第三步”迈得无比自信。航天科技集团五院的研制团队在谢军、迟军、王平、陈忠贵等专家的带领下，汇聚各方力量，把车间当成战场，把攻关当成战斗，奋勇拼搏，先后攻克了北斗系统的各种难关。

    由于我国北斗系统不能像美国GPS那样，在全球建立地面站，为了解决境外卫星的数据传输通道，航天科技集团五院北斗三号研制团队攻克了星座星间链路技术，采取星间、星地传输功能一体化设计，实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。用星间链路技术不仅实现了相互间的通信和数据传输，还能相互测距，自动“保持队形”，可以减轻地面管理维护压力。星间链路技术的应用中，设计了全新的网络协议、管理策略和路由策略，解决了不能全球布站进行卫星境外监测的难题，是北斗全球导航系统建设的一大特色。

    航天科技集团五院北斗三号卫星总指挥迟军介绍说，为了提高卫星在轨服务的可靠性，北斗三号卫星采取了多项可靠性措施，使卫星的设计寿命达到12年，达到国际导航卫星的先进水平，为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。（据澎湃新闻）