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【中国科学报】为“北斗”上天铺就科技路

2020-09-16 中国科学报 刘如楠 沈春蕾 甘晓
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北斗导航卫星效果图 中科院微小卫星创新研究院供图

  7月31日,北斗三号全球卫星导航系统(以下简称北斗三号系统)正式开通。

  多年来,澳门新浦京发挥多学科综合优势,在卫星制造、关键单机及部组件、核心芯片、时间与轨道测量、星地试验等方面,为北斗三号系统研制提供了强有力的科技支撑,诠释了科技创新的核心价值。

  近日,“中国卫星导航系统重大专项”成果入选中科院“率先行动”计划59项重大科技成果及标志性进展。

  自主创新的“北斗星”

  “自主铸就北斗星,创新擘画玉汝成。开放彰显乾宇志,融合时空谋共赢。万众抗疫同舟济,一心相异退群声。追求普惠华夏愿,卓越湛卢献和平。”前不久,中科院微小卫星创新研究院副院长、北斗三号系统总设计师林宝军以新时代北斗精神——自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越为题,作了一首藏头诗。他把北斗比喻成“湛卢剑”,科研人员则是“铸剑人”。

  作为国家战略科技力量,中科院微小卫星创新研究院、精密测量科学与技术创新研究院、上海天文台、国家授时中心、国家空间科学中心等多家科研院所联合攻关,成功研制和发射12颗北斗导航卫星,为北斗系统提供从原材料、元器件、核心部组件到卫星,从星上到地面的全链条解决方案。

  林宝军介绍,科研人员通过自主创新实现多项高科技:突破全球系统组网卫星的核心关键技术,首创导航星座星间链路技术,实现了“一星通、星星通”,卫星观测PDOP(位置精度强弱度)值提高10~30倍,在7万公里的距离,100毫秒可以实现卫星捕获和测距,卫星双向测距精度高达1厘米;全面推进自主可控,采用了国产龙芯+FLASH的架构,填补了国产航天处理器空白,同时实现了微波等核心器件全部国产化,带动材料、器件、部组件、单机到系统整个产业链发展,使核心器部件自主可控……

  “我们这支团队81个人,平均年龄31岁,干成了前人花20年才能干完的一件事情。”林宝军相信,未来一定能够将北斗做成跟GPS旗鼓相当的导航系统。

  最强“大脑”和“心脏”

  在诸多自主创新技术中,最为基础和核心的技术是全球卫星导航系统时空基准技术,也就是卫星系统的“大脑”和“心脏”。

  由中科院上海天文台研发的信息处理系统部分基础模块就像北斗的“最强大脑”,能实时修正误差、多备份,以保持高可靠度,确保北斗空间信号精度与GPS相当。

  星载原子钟为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号,因其必须不间断且稳定,如同脉搏和心跳,被称为导航卫星的“心脏”。中科院精密测量科学与技术创新研究院研制的第三代星载铷原子钟,如今已实现精度每天一百亿分之三秒,达到国际领先水平;中科院上海天文台研制的星载氢原子钟实现了约600万年仅误差1秒的精度,大幅度提升北斗导航卫星系统的时间基准精度。

  “北斗为大家导航,而我们为北斗‘导航’”,科研人员中流传着这样一句话。正是有了最强“大脑”和“心脏”,北斗三号系统的建成令世界对中国的卫星研制技术刮目相看。

  “长板”创新拓展未来需求

  在林宝军看来,中科院北斗导航卫星研制团队的前沿科技创新来源于理念上的变革。“通常,大家都习惯于‘短板理论’,希望通过弥补技术短板来实现性能提升,‘短板理论’最经济。”他告诉《中国科学报》。

  因此,一般卫星上使用新技术的比例不到30%。但是,在北斗三号系统的研制中,中科院科研团队创造性地采取“长板理论”的策略,旨在最大限度拓展未来成长性需求。林宝军认为,这给北斗三号系统的设计带来了颠覆性改变。

  中科院上海天文台研制成功的第一台双频氢原子钟便是“长板理论”的最好诠释,其精度比铷原子钟高一个数量级。“这台氢原子钟虽然没有在轨运行过,但我们认为技术是可靠的,同时也装备了铷原子钟以确保万无一失。”林宝军介绍。

  同时,科研人员也看到了先进技术创造的潜在应用场景。氢原子钟可在20皮秒内与铷原子钟“无缝切换”,实现自主连续提供信号。“这就意味着,如果开车时导航信号中断,可以在用户察觉不到的情况下切换到备份信号。”林宝军说。

  基于“长板理论”,科研团队相信,新技术只要靠谱,不用十年,就能创造巨大的应用空间。

  (原载于《中国科学报》 2020-09-16 第1版 要闻)
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