專訪北斗狂人：北斗系統整體核心指標已超GPS_風聞

2020年6月23日9時43分，伴隨西昌衞星發射中心一聲巨響，北斗系統第55顆導航衞星成功發射。標誌着北斗三號全球衞星導航系統星座部署圓滿完成，這個時間，足足比計劃提前了半年。

同年7月31日，中國向世界鄭重宣佈——北斗三號全球衞星導航系統建成並開通，中國成為世界第三個獨立擁有全球衞星導航系統的國家。

中國北斗，“星火”燎原。

三年間，作為重大時空基礎設施，北斗系統已廣泛應用於國家經濟社會發展各行業領域，助力各行業轉型升級、提質增效。

同時，作為聯合國認可的四大全球衞星導航系統之一，北斗系統已服務全球200多個國家和地區用户，在民航、海事、搜救等領域積極履行國際義務，為推動構建人類命運共同體貢獻中國力量。

近日，在北斗三號全球衞星導航系統建成並開通三週年之際，《中國經濟週刊》記者獨家採訪衞星系統研發團隊、中國衞星導航定位協會，實地調研多家北斗產業及相關領軍企業，與北斗系統總設計師、行業協會、上市公司、資深從業者等深度對談，暢談產業發展現狀及問題，收集關於產業發展的建議，共謀北斗產業高質量發展。

“天上建好，地上用好”，是北斗系統的口號。

時至今日，北斗系統廣泛應用於國家經濟社會發展各行業領域，助力各行業轉型升級、提質增效，產生顯著的經濟效益和社會效益。

2020年，在北斗三號全球衞星導航系統正式開通後，《中國經濟週刊》記者專訪了北斗三號衞星系統總設計師、中科院微小衞星創新研究院副院長林寶軍，聽這位“北斗狂人”親身講述北斗的“世界領先”是如何煉成的。

時隔三年，如今北斗衞星運行效果怎樣？下一階段的任務是什麼？近日，《中國經濟週刊》再次對話林寶軍，探尋答案。

攝影：《中國經濟週刊》首席攝影記者  肖翊

北斗系統精度比GPS高一個量級

世界四大衞星導航系統分別為美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯定位系統（GLONASS）、歐洲的伽利略衞星定位系統（Galileo）和中國的北斗衞星導航系統(BDS)。

“這四大導航系統裏，原來北斗的目標是爭二保三。但現在來看，北斗系統運行效果超出預期，整體核心指標已經超過GPS，是世界一流的。”林寶軍激動地説。

他回憶道，一次調研中當他向別人説出同樣答案時，對方震驚地質疑：“GPS是美國航天三個里程碑式成果之一，你們才幹十幾年，是不是一些指標在特定的情況下比別人好，就説成是超過別人了？”

林寶軍堅定地回答“不是”。

導航系統中，用於計量時頻（時間和頻率統稱為時頻）的精密儀器——星載原子鐘，可謂衞星的“心臟”，也是技術制高點。它的每一次跳動都直接決定着衞星定位、測速和授時功能的精度。某種程度上，誰的原子鐘做得更好，誰的導航系統就做得更好。

曾經，在北斗二號系統研製初期，星載原子鐘在國內尚屬技術空白，想從國外引進，卻被好幾家廠商以“保密”為由，一口回絕。

“北斗之父”、中國科學院院士孫家棟説：“我們再也不能對進口產品存在依賴性了。星載原子鐘必須下決心自己搞，就是砸鍋賣鐵也要做出自己的品牌。”

如今，北斗三號組網星裝上了“中國心”，還“豪橫”地採用了“一星兩鍾”，即同時配置兩個氫鍾和兩個銣鍾。林寶軍詳解：“我們發明並採用原子鐘無縫切換技術——讓氫鍾和銣鍾同時工作，一旦任何一方出現問題，立刻切換至另一方，切換時相位誤差僅為20皮秒（1皮秒等於一萬億分之一秒），用户毫無感覺。”

對於這項技術優勢，三年前，林寶軍説：“北斗衞星的精度比美國GPS導航系統高約10倍，每300萬年才會差一秒。”

經過三年的在軌驗證，他給出更加確定的回答——“在時頻精度上，北斗衞星比GPS高出近一個量級”。

此外，為了使北斗從區域走向全球，北斗系統全球首創突破了Ka頻段這種測量型的星間鏈路技術。這項技術使我們所有北斗衞星連成一個大網，每顆星之間可以“通話”，可以測距，一星通、星星通，使衞星定位的精度大幅度提高。

據介紹，導航衞星不同於其他功能衞星，精準度高度依賴實時的測運控。測運控可簡單理解為，對運行中的導航衞星進行跟蹤、測量和控制，並負責整個衞星導航系統的運行控制。

我國國土資源有限，很多衞星無法實時進行監測，精度就無從保證。通過Ka相控陣星間鏈路技術，讓能看到的星和看不到的星進行通話和傳輸。

“一開始所有人都認為，這種解決方案只是個研究方向，連美國人都還沒做出來，中國人不可能做出來。事實證明，我們不僅做出來了，而且這種基於國內測站實現全球星座運營的創新方式，還是穩定可信、世界領先的。”林寶軍説。

CPU芯片是衞星最為核心的元器件之一，北斗三號首次採用了國產龍芯。“實際在天上工作時，原本用的進口芯片大概一週會出現一次單粒子事件（空間高能粒子的影響，把芯片中的二進制數1打成0、0打成1），但龍芯在軌累計工作逾46萬小時，單粒子翻轉為0，保證了北斗系統的超高穩定性。”

除了運行連續穩定可靠，北斗系統的功能也更強大。

據介紹，除具備其他三大導航系統都有的定位功能外，北斗三號還提供6項特色服務，即全球短報文、區域短報文、星基增強、地基增強、搜救服務和精密單點定位，性能方面達到“人無我有、人有我優”。

攝影：《中國經濟週刊》首席攝影記者  肖翊

發備份星是因為組網星出問題？

一般來説，對衞星導航系統而言，可見星的數量和好的幾何特性決定着定位的精確性。

從星座構成來講，GPS、格洛納斯和伽利略均採用中軌道地球衞星，衞星軌道距離地球表面約20000千米；北斗系統則採用低中高軌道結合的組網方式，除有24顆中軌道地球衞星外，還有6顆距離地表約36000千米的高軌道地球衞星。

“高軌道衞星的參與，讓中國及周邊地區北斗系統的可見星數更多，定位更快、精度更高，尤其在低緯度地區，特別在高樓林立的城市中，其性能優勢更為明顯。”林寶軍説。

他以自己在上海辦公室測試的可見星為例。“當時接收到20顆北斗衞星，十二三顆GPS衞星，八九顆格洛納斯衞星。現在大部分智能手機兼容四大衞星導航系統，收集的所有信號共同解算位置，北斗的可見星多，就是北斗系統在起主要作用，特別是在國內。”

近期，北斗系統的高軌星座再添新成員。

2023年5月17日10時49分，我國在西昌衞星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射第56顆北斗導航衞星。該衞星屬地球靜止軌道衞星，是2020年北斗三號全球組網以來發射的首顆，也是唯一一顆高軌備份衞星。入軌並完成在軌測試後，將接入北斗衞星導航系統。

該衞星將增強系統的可用性和穩健性，提升系統現有區域短報文通信容量三分之一，還有助於用户實現快速高精度定位。

然而，首顆備份星的發射，也讓一些質疑聲音出現：“發備份星是因為組網星出了問題？”

對此，林寶軍給出明確回應。一般來説，一年發2～3顆備份星是行業慣例。北斗三號組網星的設計壽命為10年，在軌期間表現很好。備用星是在軌待命，組網星並未出現任何問題。

他還用早期發射的北斗導航試驗衞星為例，進一步證明北斗衞星的超高性能。“2015年3月30日發射的首顆新一代北斗導航衞星，設計壽命是3～5年，目前在軌運行8年，功能一切正常。現在該星承載更多科學實驗，屬於超期服役。”林寶軍説。

據介紹，最新“入列”的第56顆北斗導航衞星，採用更高處理能力的國產化核心處理器件，採用更優越的抗空間環境設計，進行了一些信號播發性能的提升。

林寶軍透露，除了這顆備份星，我國後續還計劃發射中圓地球軌道（即MEO衞星，是北斗全球組網的主力）的備份星，進一步提升和優化北斗系統的穩健性。

有擔當，真創新，謀跨越

目前中國北斗的服務空間是地表到地表以上數千公里的範圍。對於下一代北斗的建設發展，中國北斗人早在北斗三號系統開通服務時，便錨定了目標。

2020年8月3日，國務院新聞辦舉行的新聞發佈會上，中國衞星導航系統管理辦公室主任、北斗衞星導航系統新聞發言人冉承其表示，要在2035年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系（PNT體系）。綜合定位導航授時體系是國家綜合定位、導航、授時的一個時空信息領域的體系化構建。它以衞星導航為核心和基礎，並融合現有各種各樣創新技術。特點是更安全、更高性能、更可靠。

簡單來講，PNT體系就是陸海空天一體、室內室外無縫銜接、安全可靠、便捷實用的全方位的導航定位體系。

在林寶軍看來，實現目標要“有擔當，真創新，謀跨越”。

“航天領域有個傳統，一個航天器上採用的新技術不超過30%，但我們團隊研發的衞星採用了100多項自主研發的關鍵技術，幾乎70%都是新的。”他坦言，當初提出要採用如此高比例的創新技術時，很多人都認為無法實現，甚至覺得如此大膽的嘗試近乎瘋狂，他還被人稱為“北斗狂人”。

在林寶軍看來，難突破的不僅是技術，還有固有觀念。“很多年來，大家都認為進口的東西更保險。我們團隊認為只要理論行得通、驗證充分，國產不等於不可靠。三年的實踐也證明，自主創新經得起考驗”。

秉持“真創新”的原則，他及團隊已經在北斗三號衞星上實現了多項“超前”佈局的功能，“衞星在軌程序重構”就是其中一項。

據介紹，這項技術可實現將地面編好的程序上傳到星上，讓衞星在軌升級內部程序。做到不重新發新衞星，就能擁有“新”衞星。

《中國經濟週刊》