楠木軒

“收官之星”發射在即!先來回顧一下北斗的發展史!

由 喜東付 發佈於 科技

根據西昌衞星發射中心15日最新的氣象預報,西昌發射場氣象條件滿足北斗三號衞星發射要求,北斗三號全球衞星導航系統最後一顆組網衞星發射窗口定為6月16日10時11分至10時50分,瞄準窗口前沿實施發射,屆時,北斗全球星座部署將圓滿完成。

回顧北斗發展歷程,值得稱讚之處太多:

·北斗系統採用了“三步走”的發展路徑,從區域到全球,走出了符合中國國情的星座部署方案;

·開創性地採用三種軌道衞星組成混合導航星座,特別是地球靜止軌道(GEO)衞星,以及圍繞亞太地區繞“8字”的傾斜地球同步軌道(IGSO)衞星,最大限度地滿足中國和亞太地區的實際需要;

·而隨着北斗一號二號的成功,北斗三號的發射部署更是體現了“中國速度”:據統計,自2017年11月5日首次發射北斗三號組網衞星以來,北斗系統在兩年多時間裏成功發射19次31顆衞星(截至2020年3月9日),創造了中國航天發射歷史上高密度、高成功率的新紀錄……

從北斗一號首次發射至今,北斗終於完成了走向世界的目標。

北斗一號▶▷從無到有的里程碑

上世紀90年代初,中國決心打造獨立導航系統。按照當時國民經濟發展的需要和所具備的條件,提出了北斗“三步走”的發展路徑。所謂三步,第一步是在2004年實現區域有源定位,第二步是2012年實現區域無源定位,第三步則是2020年實現全球無源定位。

北斗一號衞星總設計師範本堯院士曾表示:“系統一下建那麼大(全球組網),需要大量的時間和資金。根據當時的實際情況,用户集中在國內和周邊。因此‘先區域、後全球’的發展途徑很正確,符合中國國情,具有中國特色。”

在北斗星座建設中,我國總共發射了54顆(截至2020年3月9日)北斗衞星,並經歷了3次技術迭代。

1994年,中國正式開始北斗衞星導航試驗系統(也即是“北斗一號”)的研製,並在2000年發射了兩顆靜止軌道衞星,區域性的導航功能得以實現。2003年又發射了一顆備份衞星,完成了北斗一號的組建。

中國科學院微小衞星創新研究院研究員陳宏宇告訴南方日報記者,北斗一號是“先解決有無”“勉強解決不依賴GPS也能湊合用”的需求。陳宏宇分析,北斗一號只有3顆衞星,精度幾十米,一方面只具備初步覆蓋中國周邊地區的定位能力;一方面是定位精度低,無法定位高速移動的目標。“雖然此時北斗一號缺點很明顯,能力很有限,但卻是我國獨立自主建立的首個衞星導航系統,打破了美、俄的壟斷,使中國成為世界第三個建立了完整衞星導航系統的國家。”陳宏宇説。

南京航空航天大學航天學院微小衞星中心教授康國華如此評價“三步走”:通過分步驟戰略,邊建設邊學習邊改進,可以在技術相對落後情況下,提早佈局,優先使用;通過“先局部再區域最後全球”,確保衞星導航系統技術的可靠和先進性。

北斗二號▶▷頻率失效前成功搶發

衞星也需要遵守一定的國際規則,例如頻率資源。根據國際電聯規定,衞星導航的頻率在一定的範圍內是“先到先得”。北斗一號工程啓動時,美國GPS、俄羅斯格洛納斯已分別發射了20多顆導航衞星,佔用了最適合衞星導航的黃金頻段。

中國與正在建設伽利略系統的歐盟,推動國際電聯從航空導航頻段中擠出一小段以供使用。2000年4月18日,北斗和伽利略系統同時申報。按照國際電聯規則,必須在7年內發射導航衞星,併成功發射和接收相應頻率信號,才能獲得該軌道位置和頻率資源,否則不能取得合法地位。為此,北斗從研發到發射團隊都在爭分奪秒:2007年4月14日4時11分,肩負着重要使命的北斗二號第1顆衞星發射,於4月17日20時許傳回了信號。此時距離國際電聯的“七年之限”只剩不到4個小時。北斗保住了至關重要的頻率資源。

陳宏宇表示,北斗二號並不是北斗一號的簡單延伸,它克服了北斗一號系統存在的缺點,提供海、陸、空全方位的全球導航定位服務,“北斗二號進行了小範圍技術驗證,包括16顆衞星、精度10米和覆蓋中國周邊地區,即使GPS沒了,國內各行業也能有衞星定位可以用”。

從首星開始,北斗二號衞星連續發射,組成了包括地球靜止軌道(GEO)衞星、傾斜地球同步軌道(IGSO)衞星和中圓軌道(MEO)衞星的區域衞星導航系統。2012年12月27日,北斗二號衞星導航系統正式宣佈開始為亞太地區的用户提供定位、導航、授時服務。這也標誌着北斗產業化、全球化正式拉開了帷幕。

北斗三號▶▷星間鏈路覆蓋全球

隨着技術的日趨成熟,北斗終於要開始進行全球“鋪設”。

在北斗二號工程建設的同時,我國於2009年啓動了北斗三號全球系統的建設。經過8年的建設,在各大系統和眾多參研參試單位共同努力下,我國全面突破系統核心關鍵技術,完成地面驗證,衞星狀態基本固化,特別是2015至2016年成功發射5顆北斗三號的試驗衞星,完成了在軌驗證。

2017年11月5日,我國在西昌衞星發射中心用長征三號乙運載火箭,以“一箭雙星”方式成功發射第24、25顆北斗導航衞星。這兩顆衞星屬於中圓軌道(MEO)衞星,也是北斗三號第一、二顆組網衞星,開啓了北斗衞星導航系統全球組網的新時代。

陳宏宇表示,相對於北斗二號區域系統,北斗三號具備高精度、高可靠、高保險、多功能等特點,已具備從服務區域到服務全球的能力。北斗三號組網完成後,能夠實現全球覆蓋,精度提高到1米級別。“同時,北斗三號實現了下行導航信號升級與改造等關鍵技術方面的突破,實現了與北斗二號下行導航信號的平穩過渡,並增加了新的導航信號,為用户提供更為優質的服務。”陳宏宇説。

據瞭解,北斗三號衞星部件國產化率達到了100%。長期依靠進口的行波管放大器組件、微波開關、大功率電源控制器、動量輪組件、星敏感器等關鍵產品,已實現主、備份全部國產化。

相對於北斗二號,北斗三號“量身定製”了許多新裝備新技術,星間鏈路尤其值得一提。

所謂星間鏈路,目的是為了實現衞星間互聯互通,是實現導航星座自主導航的核心,是提升衞星導航系統自主運行能力的關鍵。2015年,擁有我國自主產權的星間鏈路載荷在北斗試驗衞星上首次亮相,對建鏈方式、測距精度和數據傳輸時延及效率等多項內容進行了實驗驗證。星間鏈路有何優勢?陳宏宇表示,由於我國無法像GPS一樣在全球建立地面站,星座的星間鏈路技術成功解決境外衞星的數據傳輸通道問題,實現了衞星與衞星、衞星與地面站的鏈路互通,這也是北斗系統的一大特色。

據新華社6月9日報道,日前西安衞星測控中心已經完成29顆已入網工作的北斗三號衞星星間鏈路測試工作,確保全球組網如期完成。

【記者】王詩堃 徐勉 王騰騰

【實習生】郭柏

【策劃統籌】張志超


【作者】 王詩堃;徐勉;王騰騰;張志超