中國北斗星耀全球!這支來自湖南的「北斗天團」為之奮鬥20多年……

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湘 伴 導 讀


今天上午,北斗三號全球衛星導航系統建成暨開通儀式在人民大會堂舉行。


習近平總書記宣布:「北斗三號全球衛星導航系統正式開通!」


北斗夢圓,舉國上下為之歡騰。讓湖南人自豪的是,這背後「湖南力量」功不可沒。

今天,湘伴君更要特別介紹,國防科大北斗科研團隊20多年來的攻堅歷程。

在「北斗」問天的艱苦征程上,國防科大北斗科研團隊自1995年組建以來完整經歷北斗一號、二號、三號系統建設全過程,先後突破了以「快速捕獲與信號接收、衛星抗干擾、系統高精度測量、系統體系級模擬評估、分散式地面運控架構」為代表的一系列關鍵技術,發展成為北斗系統技術創新引領者,為我國北斗系統從無到有、從追趕到並跑甚至局部領跑做出了卓越貢獻。


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奮勇直前——擁有中國自己的導航系統


1983年,一個名為「雙星快速定位系統」的衛星導航與定位方案被提出。然而,系統建設的瓶頸——信號快速捕獲問題,有關單位攻堅十年,始終未能突破。


衛星導航定位技術,屬於國家戰略資源,是大國較量的「殺手鐧」,對其核心關鍵技術,誰都緊緊捂在懷裡。加之「雙星導航系統」走的是中國特色之路,沒有資料可以借鑒。


中國北斗星耀全球!這支來自湖南的「北斗天團」為之奮鬥20多年……


1995年初春,正在攻讀博士學位的國防科大電子科學學院王飛雪、歐鋼、雍少為3位博士生,出差時無意中得知此事。在深入調研後,他們將新興的計算機技術引入衛星信號處理領域,提出「運用全數字信號處理技術破解衛星信號快捕精跟難題」嶄新研製方案。

經過國防科大庄釗文教授細心完善、仔細驗證,這套「全數字化快速捕獲信號與接收技術方案」得到中科院院士陳芳允高度肯定。那一年,王飛雪、歐鋼、雍少三個人都只有二十多歲。

帶著4萬元經費和一台計算機,他們回到學校開始艱難攻關。由於全數字快捕精跟技術「前無古人」,創新難度大,演算法複雜,研製任務繁重,從理論、關鍵技術攻關,到樣機研製、工程實現和定型、外場實驗和正樣生產,其間每一關都是對他們的極大考驗。

沒有實驗室,就借用不到10平方米的倉庫;沒有儀器設備,就找其他課題組「蹭」。關鍵時刻,他們的研究得到中國工程院院士郭桂蓉的大力支持。

3年後,北京星地對接現場,顯示器上脈衝閃耀,信號捕捉成功!

掃除了「攔路虎」,3位年輕人又接連突破信號精跟和解調關鍵技術,成功研製出全數字快捕和信號接收系統,一舉打破了國外在這一核心技術上的封鎖與壟斷!

該系統被安裝在北斗導航系統的主控站,成為地面運控系統的核心設備,安全穩定運行十幾年,沒有出現任何差錯,成為地面系統中最可靠的設備之一。相關科研成果榮獲軍隊科技進步一等獎、國家科技進步二等獎。


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地面信息處理系統,是北斗一號地面主控站的核心系統,為確保北斗一號擁有一個高靈敏的「大腦」「中樞」,有關部門公開向社會招標。1996年12月,國防科大計算機系將該系統攻堅任務攬入懷中。學校從教學科研一線抽調40多名專家骨幹,成立北斗一號地面信息系統研製團隊。

國防科大教授王志英帶領團隊獨創了高效數據壓縮和提取技術,並乘勝追擊拿下雙工雙實時處理系統。該系統在雙工容錯、體系結構、故障判別、系統切換、時鐘同步、性能評測和定位精度保障等方面具有獨創性,實時應用設計技術、分散式面向對象數據監控技術、大容量內存鎖定技術、雙工設計和切換等關鍵技術達到國內領先,達到一年停機不到半小時,有效實現了強實時、高可靠、大容量和大規模並行分布處理功能。

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僅用時一年多,北斗一號地面信息處理系統各分系統研製任務宣告完成,驗收的專家們認為該系統是一款功能強大的北斗一代地面應用指揮系統。

2000年10月31日晚,中國首顆北斗衛星被長征三號火箭送入太空,她以勢不可擋的氣勢衝破大氣層,照亮夜空。北斗一號向全世界宣告:中國已成為繼美國、俄羅斯之後,第三個擁有自主研製衛星導航系統能力的國家!

在北斗一號衛星導航系統組網當天,國防科大的科研團隊在歡呼的同時,暗下決心:我們不但要有自己的北斗導航系統,而且必須建成世界最好的導航系統。


乘勝追擊——建設亞太最好的導航系統


1999年5月8日,以美國為首的北約部隊依靠GPS投下了五枚精確制導導彈,擊中中國駐南聯盟大使館,導致三名記者當場犧牲,數十人受傷。

血的教訓、生命的代價,再次給中國敲響了警鐘!


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2004年,中國啟動北斗二號導航系統工程,建設我國航天史上第一個多星組網、星地一體的系統。面對如此複雜的航天系統,在方案論證和系統研製階段,都迫切需要能夠準確模擬系統運行狀態的模擬系統,用於系統方案確定、系統聯調聯試和用戶終端檢測等。

工欲善其事,必先利其器。此「器」,便是衛星導航信號模擬源。但涉及衛星導航整個系統,代表一個國家衛星導航系統建設和應用產業化的水平,不僅歐美對我們實行技術封鎖和產品禁運,而且涉及國防安全和國家秘密,必須自主研製。

國防科大智能科學學院空間儀器工程團隊得知相關情況後,決心為北斗工程拿下這個「橋頭堡」。

他們研製出的具有完全自主知識產權的模擬源,應用覆蓋了北斗導航系統的設計論證、技術研發、測試評估,以及終端研發、入網檢測、定型試驗、原位測試等全過程,建立了導航終端的國家計量檢測體系和裝備保障體系,先後保障了150餘次星地對接、聯調聯試和試驗驗證等任務,為確定技術體制、固化衛星狀態、設計星地介面提供了重要支撐。

北斗二號工程總設計師孫家棟親自主持了產品鑒定會:「這是衛星導航領域的一項重大技術創新,打破了多項國外技術封鎖,填補了多項空白。主要性能指標優於國外同類系統,達到了國際領先水平。」

當初對中國求購斷然說「NO」的國家,反過來向中國求購這一產品。衛星導航系統模擬源成功走向世界,成為北斗邁向全球、走向世界的重要標誌。

2007年底,北斗二號衛星運行到某區域時,突然受到複雜電磁環境干擾,導致衛星通信間歇性中斷。這時,衛星發射計劃已上報相關國際組織無法更改,距離下顆衛星發射只有三個月時間。如果不在三個月內解決問題,不僅將遲滯整個北斗工程進程,甚至可能使組網發射的數十顆衛星淪為太空垃圾。

王飛雪帶領電子科學學院北斗衛星導航科研團隊立下軍令狀:「3個月內,我們一定拿出『抗體』,只會提前,絕不拖後!」

衛星要求的抗干擾能力很強,但安裝抗干擾設備的空間很小,而且功耗要低,專家把這個難題比喻為「把大象裝進冰箱」。

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在那個冰雪肆虐的冬天,北斗衛星導航科研團隊玩命般與時間賽跑。困了就用自來水衝下頭,餓了就啃口速食麵,吃住都在實驗室,大年三十都沒有回家。不到3個月,具有強大抗干擾能力的衛星載荷在他們手裡橫空出世,為北斗衛星鑄造出「超強盾牌」。

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經測試,北斗衛星複雜干擾抑制能力提高了1000倍,該指標遠超原規劃目標,為我國第二代衛星導航系統建設順利推進做出了巨大貢獻。


此後,他們又攻克了北斗二號地面運控系統「高精度測量」等技術難題,研製出北斗二號主控站測量與通信系統、時間同步/注入站、RDSS信號收發系統、監測接收機以及載荷地面測試評估系統等地面運控系統主體設備。一舉成為北斗二號地面運控系統建設主力軍。

「建中國的北斗,走自己的路」已成為國防科大每一個北斗人的共同目標,為了實現這一目標,他們來不及短暫停歇,便踏上新的征程,向著用科技創新推動北鬥成為世界最先進的衛星導航系統的遠大目標奮力奔跑。


砥礪前行——建成全球領先的導航系統


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北斗第三步,當驚世界殊。

2015年3月30日,北斗三號首顆衛星在西昌衛星發射中心成功發射,標誌著我國北斗系統由區域運行向全球拓展的啟動實施。

美國的GPS全球衛星導航系統,天上有數十顆中圓軌道衛星組成的星座,地上有世界各地的數百上千個地面站組成的「地網」。可中國對在全球布站點卻「鞭長莫及」,建不了「地網」。這是北斗導航由區域向全球拓展面臨的最大障礙。


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「陸路」不通,就走出一條有中國特色、世界唯一的「天路」!在航天器與航天器、航天器與地面站之間架設「天梯」,建立具有數據傳輸和測距功能的無線鏈路——星間鏈路系統!

進入工程階段後,北斗「兩總」決定採用智能科學學院空間儀器工程團隊的技術方案(ka星間鏈路)。

星間鏈路,把地面工程搬到了天上,工程實現難度也隨之翻了幾番。

此後幾年裡,楊俊帶領項目組攻克ka星間鏈路系列核心關鍵技術,實現了精確測量、組網通信等一系列核心技術指標的跨越,實現了一星通、星星通。

2015年3月31日,北斗三號第一顆試驗衛星升空,首次在軌成功實現了Ka星間鏈路,全面驗證了空間儀器工程團隊提出的方案充分滿足北斗全球衛星導航系統組網需求,如今,Ka星間鏈路已成功應用於北斗三號全部衛星,首次實現了導航星座的天基組網運行,成為北斗自主創新和領先的重要標誌!


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加入星間鏈路的北斗三號全球系統無需全球布站也能互相聯繫,即便和地面中斷聯繫也能繼續提供服務,衛星的生存能力有了保障,但為全球提供服務後,任務量必會大增,如何一一滿足?

國防科大系統工程學院衛星任務規劃團隊提出北斗全球系統業務星地一體化規劃與調度框架,解決了北斗全球系統業務多、流程雜、規劃難的痛點,同時通過創新任務規劃演算法,成功解決了北斗全球系統星間、星地、站間等各類業務規劃難題,滿足了北斗系統運營需求。

在北斗眾多科研團隊中,有一個唯一星地齊備、技術鏈完整的團隊,他們是北斗三號衛星業務載荷最大研製單位,這就是國防科大電子科學學院北斗衛星導航科研團隊。


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2018年是北斗三號組網攻堅年,在這場攻堅戰中,北斗衛星導航科研團隊採取「三邊戰略」,即邊研製、邊生產、邊交付。各項目交付環環相扣,不允許出現任何失誤。核心模塊、關鍵設備、系統機櫃,同時投入生產,時頻、RD、注入站、驗證系統多個戰役同時打響。為北京和成都兩大主控站研製 RDSS信號收發、時統系統、測通系統等三大系統。北京、三亞等地接收機裝站工作全面鋪開。該中心人員的足跡西至西藏、北至黑龍江、南達海南、東抵浙江,遍布全國各地。


最終,該團隊突破多項重大技術瓶頸,實現了接收機、信號源等裝備零故障交付,為北斗三號首批組網衛星發射成功、地面運控初始系統建設作出了重大貢獻。


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今年新冠疫情發生以來,國防科大北斗團隊面對全球組網進度壓力,以全軍備戰標兵單位姿態,衝鋒在前,不畏艱險,從2月11日起就分批長期出差,在全國各地開展科研工作,科研人員每人都寫下請戰書。連續奮戰三個多月,終於按計劃完成了85項集成聯試和故障模擬測試工作,形成了3100多頁測試報告,保住了北斗三號地面運控系統開通前試運行的關鍵節點,為北斗三號全球系統開通服務打下了堅實基礎。


北斗夢圓

向攻堅克難的中國科技工作者

致敬!