為「北鬥」上天鋪就科技路｜「率先行動」計劃
2020-09-16 中國科學報作者 |劉如楠 沈春蕾 甘曉
7月31日，北鬥三號全球衛星導航系統（以下簡稱北鬥三號系統）正式開通。
多年來，中國科學院發揮多學科綜合優勢，在衛星製造、關鍵單機及部組件、核心晶片、時間與軌道測量、星地試驗等方面，為北鬥三號系統研製提供了強有力的科技支撐，詮釋了科技創新的核心價值。
近日，「中國衛星導航系統重大專項」成果入選中科院「率先行動」計劃59項重大科技成果及標誌性進展。
北鬥導航衛星效果圖 中科院微小衛星創新研究院供圖
自主創新的「北鬥星」
「自主鑄就北鬥星，創新擘畫玉汝成。開放彰顯乾宇志，融合時空謀共贏。萬眾抗疫同舟濟，一心相異退群聲。追求普惠華夏願，卓越湛盧獻和平。」
前不久，中科院微小衛星創新研究院副院長、北鬥三號系統總設計師林寶軍以新時代北鬥精神——自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越為題，作了一首藏頭詩。他把北鬥比喻成「湛盧劍」，科研人員則是「鑄劍人」。
作為國家戰略科技力量，中科院微小衛星創新研究院、精密測量科學與技術創新研究院、上海天文臺、國家授時中心、國家空間科學中心等多家科研院所聯合攻關，成功研製和發射12顆北鬥導航衛星，為北鬥系統提供從原材料、元器件、核心部組件到衛星，從星上到地面的全鏈條解決方案。
林寶軍介紹，科研人員通過自主創新實現多項高科技：突破全球系統組網衛星的核心關鍵技術，首創導航星座星間鏈路技術，實現了「一星通、星星通」，衛星觀測PDOP（位置精度強弱度）值提高10～30倍，在7萬公裡的距離，100毫秒可以實現衛星捕獲和測距，衛星雙向測距精度高達1釐米；全面推進自主可控，採用了國產龍芯+FLASH的架構，填補了國產航天處理器空白，同時實現了微波等核心器件全部國產化，帶動材料、器件、部組件、單機到系統整個產業鏈發展，使核心器部件自主可控……
「我們這支團隊81個人，平均年齡31歲，幹成了前人花20年才能幹完的一件事情。」
林寶軍相信，未來一定能夠將北鬥做成跟GPS旗鼓相當的導航系統。
最強「大腦」和「心臟」
在諸多自主創新技術中，最為基礎和核心的技術是全球衛星導航系統時空基準技術，也就是衛星系統的「大腦」和「心臟」。
由中科院上海天文臺研發的信息處理系統部分基礎模塊就像北鬥的「最強大腦」，能實時修正誤差、多備份，以保持高可靠度，確保北鬥空間信號精度與GPS相當。
星載原子鐘為衛星系統提供高穩定的時間頻率基準信號，因其必須不間斷且穩定，如同脈搏和心跳，被稱為導航衛星的「心臟」。
中科院精密測量科學與技術創新研究院研製的第三代星載銣原子鐘，如今已實現精度每天一百億分之三秒，達到國際領先水平；中科院上海天文臺研製的星載氫原子鐘實現了約600萬年僅誤差1秒的精度，大幅度提升北鬥導航衛星系統的時間基準精度。
「北鬥為大家導航，而我們為北鬥『導航』」，科研人員中流傳著這樣一句話。
正是有了最強「大腦」和「心臟」，北鬥三號系統的建成令世界對中國的衛星研製技術刮目相看。
「長板」創新拓展未來需求
在林寶軍看來，中科院北鬥導航衛星研製團隊的前沿科技創新來源於理念上的變革。
「通常，大家都習慣於『短板理論』，希望通過彌補技術短板來實現性能提升，『短板理論』最經濟。」他告訴《中國科學報》。
因此，一般衛星上使用新技術的比例不到30%。
但是，在北鬥三號系統的研製中，中科院科研團隊創造性地採取「長板理論」的策略，旨在最大限度拓展未來成長性需求。
林寶軍認為，這給北鬥三號系統的設計帶來了顛覆性改變。
中科院上海天文臺研製成功的第一臺雙頻氫原子鐘便是「長板理論」的最好詮釋，其精度比銣原子鐘高一個數量級。
「這臺氫原子鐘雖然沒有在軌運行過，但我們認為技術是可靠的，同時也裝備了銣原子鐘以確保萬無一失。」林寶軍介紹。
同時，科研人員也看到了先進技術創造的潛在應用場景。
氫原子鐘可在20皮秒內與銣原子鐘「無縫切換」，實現自主連續提供信號。
「這就意味著，如果開車時導航信號中斷，可以在用戶察覺不到的情況下切換到備份信號。」林寶軍說。
基於「長板理論」，科研團隊相信，新技術只要靠譜，不用十年，就能創造巨大的應用空間。
《中國科學報》 （2020-09-16 第1版 要聞）
編輯 | 趙路
排版 | 郭剛
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