北斗导航服务覆盖全球

阿波罗登月、航天飞机和卫星导航，这是20世纪人类航天事业的三大杰出贡献。就其对人类日常生活影响而言，尤以卫星导航为最。
　　今年6月23日9时43分，长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心升空，将第55颗北斗导航卫星送入预定轨道。这是北斗三号最后一颗全球组网卫星。
　　在航天科技集团五院总体部，北斗二号导航卫星总设计师、现任北斗三号工程副总设计师、北斗三号导航卫星首席总设计师谢军告诉记者，至此，北斗三号实现了覆盖全球、服务全球的跨越。
　　7月31日上午，北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京举行。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平出席仪式，宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。
　　“4小时的冲刺”，源于跨世纪的梦想
　　2007年4月16日，是谢军和他的团队永远也忘不了的一天。
　　此前两天——4月14日，凌晨4时11分，从西昌卫星发射中心冲天而起的长征三号甲运载火箭，将北斗二号第一颗MEO（中圆轨道）飞行试验星送上太空；5时16分，太阳翼帆板展开。两天后，卫星经过3次远地点变轨等控制，于16日进入卫星工作轨道。
　　“16日晚上20时14分，试验星上的有效载荷产品开始加电开机。”谢军如数家珍般地告诉记者，“那晚，所有参与北斗二号导航卫星接收终端产品研发的单位，都将自己的接收设备放在一个操场上，等待卫星发送信号。从21时46分起，地面系统先后准确接收到了卫星播发的B1、B2、B3导航信号，所有在场的同志都高兴得跳了起来！当时，我在西安卫星测控中心，也非常激动！我们终于实现了2007年4月17日前激活北斗导航信号的目标，确保了北斗二号系统申请的卫星导航信号频率与轨位资源！此时，距离国际电联规定的空间频率申请失效仅有不到4个小时。”
　　太空浩瀚，但频率资源有限。此前，国际电联曾规定，任何国家申请空间轨道和信号频率资源是有时限的，如超过7年还不能将所设计的卫星发射上天，所申请的频率资源作废。当时，美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯导航卫星已经使用了大量频率，所剩下来的有限资源为欧洲导航卫星“伽利略”和中国导航卫星“北斗”所分享，谁先完成发射谁拥有使用频率的优先权。国际电联“先到先得”“逾期作废”的规定，给了中国航天人很大的压力。
　　“我是在2006年3月时，才听说我们2000年向国际电联申请的导航信号频点，到2007年4月17日要过期。”谢军说，当时确实有点紧张，“因为当时我们卫星的研发还未全部完成，担心时间不够。唯有优化流程，抓紧研发。”
　　之前，北斗一号虽然已在2002年完成了双星定位，但按照国际电联的标准，北斗一号仍是“试验系统”，它与北斗二号卫星播发的导航信号技术体制完全不同，使用信号的频率资源不同。为了确保这一国家任务的如期完成，航天科技集团要求“标准不能降，流程不能减”。剩下能压缩的，只有休息时间，“我们只能以跑百米的速度来跑马拉松，”谢军说。
　　2007年的春节都没有过完，大年初三，五院的大队人马就从北京飞往西昌，检测设备安装就位，马不停蹄开始了连续6天6夜的不间断加电测试，以模拟卫星和有效载荷在太空连续工作的状态。从院士、型号总师到技术人员，一刻不停地轮班盯着测试进程，发现了问题及时解决。所有的问题都“归零”之后，专家层决定：北斗二号首颗MEO试验星14日发射。
　　“北斗二号的设计寿命是8年，但我们2010年1月17日发射的第一颗组网星，至今状态良好，仍在使用。”谢军颇感自豪。
　　星载原子钟误差1毫秒，定位精度会误差300公里
　　2003年9月，两个来自北京的电话改变了谢军的人生。打第一个电话的是时任五院院长袁家军，他说，“院里决定调你担任北斗二号的技术总负责。”时任504所所长的谢军，知道这副担子不轻，不敢贸然答应。几天后，谢军的老领导、五院常务副院长兼北斗二号总指挥李祖洪的电话来了：“你别犹豫，现在北斗二号的任务很紧迫，难度很大，赶紧来。”谢军明白，此乃航天用将之时。当年12月，五院成立北斗二号项目办，谢军正式走马上任。
　　既然已建成北斗一号，为什么国家还要接着上马北斗二号？长期从事北斗系统建设工作的研发副总师周鸿伟告诉记者，北斗一号始建于上世纪90年代，陈芳允院士认为国家实力有限，不可能像发达国家一样一下子打几十颗导航卫星上天，提出了“双星定位”的体制，用“2颗GEO星+地面站”的方式，实现了我国导航卫星从无到有的飞跃，但其覆盖区域和定位精度仍难以满足国家发展和百姓生活的需求。
　　横亘在谢军和他的团队面前的，是从平台到星上载荷的全新挑战。北斗一号采用的是通讯式的有源定位，用户机必须发送信息才能参与定位，这一转发式体制不仅造成用户容量受限，而且用户机的成本很高；而北斗二号采用广播式的无源定位，即用户机可不发送信息，只要像收音机收听广播一样接收和解读4颗以上导航卫星发来的数据，即可计算出其自身所在的位置，这一导航方式用户数量可以不受限制，如同无数个收音机可以同时收听一个电台的播音节目。
　　而为了实现上述目标，北斗二号必须以星载原子钟来定时，方能实现定位。而此前，北斗一号的授时工作主要由卫星地面站来完成，星上没有原子钟组。
　　周鸿伟说：“既然导航用户是通过至少接收4颗以上导航卫星发射的位置信息来计算出自身位置的，因此这4颗星的时间必须准确而同步。卫星导航的时间精度是50纳秒。1纳秒是千分之一微秒、百万分之一毫秒、10亿分之一秒。为什么需要这么精准的时间？你知道光速是每秒30万公里，如果有一只原子钟慢了1秒，那计算机就会判读你离这颗卫星又远了30万公里！1毫秒的误差，在定位精度上造成的距离误差为300公里；1微秒的误差影响定位精度300米，1纳秒的误差是0.3米。”
　　“星载原子钟哪里来？最初，我们也想过购买或引进，”谢军说，“但要么是发达国家不卖给我们，要么是价格贵得我们买不起。我们的经费，只够买北斗二号所需原子钟数量的一半，还有一半必须我们自己动手造。”
　　“一开始，我们就想到过自主创新很难，但真没想到这么难。”谢军回首这些年走过的创新之路时说，“有人问我，做总师最怕什么？就是怕自己做出决策后，解决不了产品的问题，而眼看着时间在一个月一个月地过去，这是最焦虑的。但为了完成国家的任务，再难我们也只能扛着。”该院总体部导航卫星总体室副主任设计师康成斌说，为了解决星载原子钟质量这个“拦路虎”问题，谢总是用心去深入一线，那些原子钟生产厂家的技术人员，他都叫得出名字。有时做产品试验，他也一直守着，36个小时不合眼……周鸿伟评价道：“谢总是北斗二号天基时空基准最重要的开创者。”
　　谢军告诉记者，“北斗二号，从2004年立项到2012年完成，由5颗GEO（地球静止轨道卫星）、5颗IGSO（倾斜地球同步轨道卫星）和4颗MEO实现组网，可为亚太区域提供导航服务。定位精度从北斗一号的20～30米，提高为水平和高程均为10米，接近当时的GPS民用标准。”
　　星间链路，唯有自己成长为“巨人”
　　“北斗三号的预研，于2009年启动。2017年11月5日，首次发射北斗三号的2颗全球组网卫星。”谢军告诉记者，“北斗三号系统共有30多颗导航卫星组成：3颗GEO、3颗IGSO和27颗MEO。”全球组网，全球服务，是北斗三号的目标和承诺，也带来了全新的挑战。首先是我国的卫星地面站基本都在我国境内，卫星在西半球上空时怎么办？
　　谢军带领团队花了近5年的时间，不仅提出了星间链路高轨和中轨结合的方案，首创了星间链路和混合星座的架构体系，还研发并突破与解决了原子钟组、大功率微波产品、高精度测量等一系列重大难题。星间链路在空中为北斗三号的30多颗导航卫星建了一个“群”：只要依靠国内的地面站，就可管理全球的卫星，解决了海外布站、卫星境外监测的难题，实现了所有导航卫星的互联互通。即使和地面联系一时中断，卫星也能继续提供服务。
　　康成斌告诉记者，北斗三号卫星之间的信号不是采用广播式发送的，而是采用更高频段的窄波束，所以对卫星天线的指向性要求非常之高。且由于双方无时无刻不在运动之中，通信天线既要像“万里穿针”般精准，实现信号的快速捕捉、跟踪和通信，还要把卫星运动带来的“多普勒效应”出现的误差补偿掉，这对我国首个创建的大型空间网络来说，是极大的挑战。更何况，在北斗三号的前期论证中，就提出了元器件和器部件全面实现国产化与自主可控的目标，囊括了一颗星上近200台（套）设备，国产设备不再是冗余系统的备份。
　　谢军对研发团队反复强调：“谁也不要以国产化为理由，降低标准。”用于放大无线电信号的行波管放大器，之前一直使用进口产品，按国产化要求有关单位开始自己研制。费了九牛二虎之力拿出了6台产品，却被谢军全部退货。
　　“当时作出这个决定其实挺难的，”谢军告诉记者，“我知道这个新产品用一两年还是可以的，但我们北斗三号的寿命要求是提高到10～12年，如果它第3年出问题了怎么办？和大家反复商量之后，还是决定拿下来重新研发。”他强调要把所有的创新建立在扎实可靠的数据上，新产品在地面上就要进行全寿命不断电的可靠性试验，以充分掌握其长期性能，如发现问题必须进行改进“归零”。
　　谢军的助手们说，在北斗起步之时，我们也希望能站在“巨人的肩膀上”。但“巨人”可不是这么想的，对我们技术封锁，不让我们站在他的肩膀上。所以唯一的办法，就是自己成长为巨人。谢军他们做到了，他们是中国人的骄傲。
　　发射暂停！惊心动魄的收官之战
　　北斗三号的最后一颗全球组网星原定的发射时间，不是6月23日，而是6月16日。6月15日晚间，中央电视台新闻联播正式预告了此星的发射时间为次日上午。但出人意料的是，次日凌晨，官方一则公告打破了人们的期待：因为实施此次发射的长征三号乙运载火箭在临射前的测试过程中，发现技术问题，发射时间推迟。
　　太突然了！太罕见了！按理说，既然能正式对外预告发射时间，那已经有了近乎100%的把握。更何况，作为同一个系列的长三甲、长三乙、长三丙运载火箭，从2000年以来，承担了北斗导航工程的全部发射任务，成功率高达100%，是名副其实的“北斗专列”。这次怎么会在收官之作的最后一射，遭遇意外？
　　记者事后得知，原来是6月15日晚间，长三乙火箭在进行加电测试时，三级发动机的某分机的减压阀压力数据出现异常，虽然异常数据与正常值相差无几，但科研人员不敢大意：减压阀是火箭的“心脏部件”，结构复杂，作用重要，出现一丁点差错，就有可能无法将高压转换为低压，从而酿成大错。
　　发动机总装车间的员工李君等3人立即钻入火箭舱内，果然在减压阀的壳体上发现了一个极细微的“T”字形裂纹。时间异常紧迫，距离已公布的发射时间只有12小时，而留给他们更换减压阀门的时间不过短短几个小时。于是，一场在西昌卫星发射场进行的“抢险”战斗开始了。既然故障原因已经查明，换个减压阀就可将故障“归零”，这应该不难吧？恰恰相反，很难。
　　难在何处？最难的环节用航天人的行话说，就是“多余物防控”。当初安装减压阀门时，为满足“气密”要求，所有的连接处都用厌氧胶封闭，以防气体泄漏。厌氧胶的特点是，24小时后它自行固化。而现在要拆除减压阀，固化的厌氧胶就会摩擦成粉末，任何多余物——哪怕是粉末留在箭体内，都有可能在发射过程中产生无法预料的后果。于是，他们3人只能在狭窄的火箭舱内，极为细心地换下减压阀，然后用吸尘器和布袋将厌氧胶的粉末清理干净。
　　当他们浑身湿透地出舱，已经是16日的零点。长三乙再次做好发射准备。突然，一道新的命令下达：推迟发射。原因是，指挥员考虑到换上去的减压阀与替换下来的减压阀是同一个产品批次，万一发射过程中再产生裂纹怎么办？必须万无一失，不抱任何侥幸心理。又是一声令下：“换！”位于北京的航天一院发动机零部件生产车间和质量处、工艺处连续作战3天3夜，在规定的时间内拿出了5套合格的减压阀门。
　　“高风险的航天领域，质量和进度、质量和数量一直是一对矛盾。”谢军说，“但‘不带疑点加注，不带隐患上天’，这是我们航天的‘铁律’。”
　　6月23日，北斗三号最后一颗组网星终于如愿进入预定轨道，为北斗三号成功组网画上圆满的句号。
　　记者在采访即将结束时问谢军：“北斗三号服务范围覆盖全球后，你们还会研制新一代的北斗导航卫星吗？”他慨然应答：“肯定会。卫星的应用，取决于人的想象力。我们期望能融合多种手段，为社会打造一个新的综合性PNT（定位导航授时）体系。北斗未来，大有可为，敬请期待。”