瞭望 | 两颗中国北斗新星，即将诞生！
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“我们用上了很多新技术，比如可以提供更高精度的时间基准，星间链路方面也做了很大的技术创新。”
“航天领域有个传统，新技术不能超过30%。但我们有一百多项关键技术，几乎70%都是新的。”
目前中国北斗的服务空间是地表到地表以上2000公里的范围。预计到2035年，国家综合定位导航授时体系将解决深空、室内和水下的导航问题
提到北斗卫星导航系统，很多人会好奇它给我们带来什么影响？如果只能用一个词来回答，或许是：安全感。
在广袤的宇宙中，知道“我在哪”是生存的基础。如同北斗七星为古人分辨方位，今天北斗卫星导航服务，让我们有能力给自己精准定位。
中国北斗历时二十余年实现了面向中国、覆盖亚太、服务世界的“三步走”发展战略，2020年7月31日北斗三号全球卫星导航系统开通，我国正式成为世界上第三个独立拥有全球卫星导航系统的国家。
当下的每时每刻，在看不见的数万里高空，30颗北斗三号卫星分秒不停地运转。无论荒漠还是海洋，北斗始终伴随我们左右。
近日，《瞭望》新闻周刊记者独家探访北斗三号卫星的诞生地之一——上海中国科学院微小卫星创新研究院。这里正在打造两颗北斗卫星“新成员”，它们有望在今年年底或明年年初发射，进一步提升中国北斗的服务效能。
北斗新星蓄势待发
此次探星之旅，由年轻但资深的“85后”北斗人李绍前担任向导，他是中国科学院微小卫星创新研究院导航卫星总体研究所副所长，2012年硕士研究生毕业后加入团队，成为这支新进入中国航天领域年轻团队中的一员。
“当时首颗北斗三号试验卫星正在研发，我常问同事，这颗星什么时候发射？”山东小伙李绍前回忆说：“同事说2015年，当时很多人不相信。”
试验卫星相当于北斗星座的开路先锋，主要用于试验航天新概念、新技术、新材料和新设备，代表着用新生力量突破未知。也许是某种奇妙的机缘，这项任务与这支年轻团队完美契合：一共81人、平均年龄不到31岁，不仅如期发射首颗试验卫星，还在那之后所向披靡、发发成功，陆续将10颗北斗卫星送入太空，占北斗卫星总数的三分之一。
时隔八年，两颗北斗三号新星蓄势待发。记者在研究院的“卫星工厂”看到，这两颗卫星研制已近完成，只剩卫星的能量来源——太阳翼没有安装。目测卫星2米多高，由上下两个舱体组成，下面是保障卫星运行的卫星平台舱，上面则装着实现定位、导航和授时功能的有效载荷。
李绍前介绍，它们原为北斗三号的组网备份星，因为此前“箭无虚发”，现在转为运行备份星。北斗三号成功组网、稳定运行后，两颗星迎来新使命，承担起下一代北斗卫星新技术产品的验证功能。
“我们用上了很多新技术，比如可以提供更高精度的时间基准，星间链路方面也做了很大的技术创新。”李绍前解释说，时频和星间链路是北斗三号得以成功的两大技术突破与创新，也是下一代北斗卫星继续提升的关键方向。
北斗系统目前向全球用户提供定位导航授时、国际搜救、全球短报文通信等三种全球服务，向亚太地区提供区域短报文通信、星基增强、精密单点定位、地基增强等四种区域服务。以定位导航授时服务为例，定位精度、测速精度和授时精度是体现服务性能的核心指标。
团队表示，两颗新星正处于新技术产品的研制验证阶段，有望在今年年底或明年年初发射，未来北斗系统的星间测距精度和时间同步精度将进一步提升。
守护健康，让卫星更强、更长寿
进入运管大厅，紧张忙碌的气氛扑面而来，中科院微小卫星创新研究院研制的在轨北斗卫星由这里守护。以运管主任设计师应俊为主心骨，十余人忙得脚底生风。
“我们正在开展在轨卫星的软件重构工作。”应俊戴着眼镜，完全素颜，长发随意绑在脑后。
她一边飞快按着键盘，一边应对同事们不时来问技术问题。讲到北斗卫星，这位干练的职场女性变得温柔细腻。
从一张张设计图纸、一个个小单机到一遍遍经历各类地面测试，再到进入太空……“卫星工厂”制造出北斗卫星的实体，赋予卫星“生命”，运管工作则像北斗卫星高质量履行使命职责的“陪伴与守护”。运行设计师的工作重心是在轨北斗卫星技术支持，让北斗卫星运行更稳定，系统服务能力更强。
所有关于卫星健康的实时数据都汇聚到运管大厅，十颗卫星的遥测参数有数万条，每天产生的实时数据是海量的，警报常在半夜或节假日响起。“卫星像小孩子一样，太空环境不好的时候，它们会生病，会难受。”应俊说，“每到这时，我们就马上赶到运管大厅协助处置，帮助它尽快恢复正常。”
按设计寿命，部分北斗卫星已步入“中年”。应俊表示，卫星的设计寿命一般是10年，5岁相当于中年星，遇到问题会更多一点，更让人操心，“希望通过我们的努力，能让它们运行15年、20年，甚至更久”。
应俊介绍了两个正在进行的努力方向：一是随着技术进步，团队能看到更多卫星运行情况，能更早发现、更快处理卫星的异常状态；二是使用更多智能手段，分析和利用卫星在轨数据，“在轨5年产生了海量数据，充分利用这些数据将助力我们研制更好更强的下一代北斗卫星”。
在中国北斗产业技术创新西虹桥基地，一家北斗企业的研发人员正在研发产品（2022年6月28日摄） 张建松 摄
锚定世界一流目标
除了问首颗试验卫星什么时候发射，李绍前以前更常问，“我们中国北斗什么时候能建成？”大家心里都有一个共同的答案：2020年，建成世界一流的北斗。
短时间内完成如此艰巨任务令人难以置信。当时，全球三大导航系统，除欧洲的伽利略外，美国GPS和俄罗斯格洛纳斯已面向全球服务，GPS更是美国航天三个里程碑式的成果之一，早在20世纪70年代就启动了建设。
中国北斗必须解决更多现实障碍，比如无法在全球建地面站。导航卫星需要几乎实时的测运控，无法全球建站意味着地球另一面的卫星无法工作。
这只能用创新来解决。“航天领域有个传统，新技术不能超过30%。但我们有一百多项关键技术，几乎70%都是新的。”北斗三号卫星总设计师林宝军认为：“新技术不等于不可靠，我们要采用符合客观规律的技术加成熟的工艺，加上充分的试验，来推进新技术的快速发展。”
其中一个重要创新，是团队改变了卫星建设传统的分系统模式，转而使用“功能链”设计。即合并卫星各分系统中的功能“同类项”，将以前的十个分系统改为有效载荷、结构热、电子学和姿轨控四条功能链，过去的二十多台计算机因此浓缩为一台，不但卫星的重量、故障率、能耗等大幅优化，可靠性也大大增加。最终，不到1吨的卫星能实现原本3吨卫星的能力。
首颗北斗三号试验卫星发射后，关键核心技术得到实战验证。“天上的运行结果表明创新不仅没有产生问题，还解决了长期困扰我们的、跟着别人用传统技术很难跨越的技术难题。”林宝军说。
北斗三号卫星实现了时频、星间链路和导航卫星专用平台三大技术突破与创新：
——在MEO卫星（地球中圆轨道卫星）上首次采用了国产氢原子钟，同时为了保证北斗信号的可用、连续，发明了钟组无缝切换技术，实现主备钟20皮秒的无缝切换。
——建卫星“微信群”，冲出亚太、迈向全球。使用Ka相控阵技术，构建卫星和卫星之间的通信链路，实现“一星通，星星通”，相当于用卫星替代了海外地面站的功能，因此只依靠国内布站就可以全球运行服务。
——成功研制新型导航卫星专用平台。在北斗三号的一百多项关键技术中，卫星平台约占三分之一。中科院导航卫星专用平台实现高可靠、长寿命、小型化，一批卫星关键器部件实现自主可控。
聚焦未来北斗，开展技术攻关
一次次攀登科技高峰，一次次变不可能为可能，中国科学院微小卫星创新研究院研发北斗卫星的经历充分展现了新时代北斗精神。
李绍前2012年加入团队时，基本是北斗“小白”。他打趣说，那时翻开设计报告，里面的每个字都认识，但连起来意味着什么说不清。
初生牛犊不怕虎，敢闯敢拼敢于不走寻常路。“不懂我们就去问，有问题我们就想办法解决，不一定非按传统的卫星研制路子走。”李绍前说，“团队领导敢于把问题抛给我们年轻人，让年轻人先想办法。总设计师林宝军经常跟我们说，‘只要在原理上把问题弄懂了，做出来的系统、设计出来的方案就肯定没问题。你们就是要大胆去试，大胆去做。’”
在中国科学院微小卫星创新研究院的“卫星工厂”里，一块海绵见证了团队的一个个不眠之夜。海绵是星箭分离冲击试验时用于减震的。造星最忙的那一年，团队以“一箭双星”的Hard模式将8颗北斗三号卫星送入太空，不少人夜以继日，以实验室为家，累了就以这块海绵为床，小睡一会马上又投入工作。
现在，北斗三号全球卫星导航系统已运行两年多时间。生活中只需稍微留心就能看到中国北斗带来的改变，比如行车导航时听到“即将为您开启北斗高精导航服务”，再比如有人徒步旅行因失去通讯信号而迷路，最终用手机发送北斗卫星消息而获救，等等。
记者采访了解到，北斗系统对外承诺的服务指标是10米定位精度，目前已经实现了5米甚至更优，在局部地区可以达到2米至3米的定位精度，授时精度对外服务的承诺是20纳秒，现在可以提供10纳秒授时精度。
中国科学院微小卫星创新研究院的北斗卫星团队已经在开展新的技术攻关，他们充满信心，将在更加泛在、更加融合、更加智能的国家综合定位导航授时体系建设中发挥更大作用。现在，中国北斗的服务空间是地表到地表以上2000公里的范围。预计到2035年，国家综合定位导航授时体系将解决深空、室内和水下的导航问题。
“我们主要是聚焦未来的北斗卫星开展技术攻关，让北斗卫星提供更高精度、更加弹性、更加无时不在的服务。”林宝军说。（记者 董雪 程思琪 许东远）
