文 大包

四大全球导航系统之一的伽利略,陷入全面“拉闸”状态。观察者网专栏作者石豪在评论文章中指出:作为伽利略项目曾经的参与方与投资方,中国用北斗系统再次证明了自力更生在核心技术领域的重要性,有些东西是等不了、靠不住、要不来的。

北斗系统的故事,值得我们细细品味,“北斗人”的精神,值得与每一位有志于为祖国突破尖端科技贡献力量的朋友共勉。在此,我们重刊一篇讲述北斗故事的深度特稿。
第二枚战斧导弹,沿着第一枚炸开的缺口精准打击——解放军被震惊了。
那一年,GPS一战成名。
1990年的海湾战争。美军的导航卫星还只有15颗,每天只能提供15小时的服务。一切都还不成熟。
当时的美国国防部长理查德·切尼却很有底气:“伊拉克绝对不会想到,在没有任何地形特征的情况下,我军能够胜利地横穿西部沙漠。”
一个新名词诞生了:“外科手术式打击”。战争的结果已经载入史册,那是一场高科技之战。想象一下,数十架轰炸机、投弹数百吨才能完成的水坝轰炸任务,变成只需要2枚导弹在数百公里外突袭发射,甚至第二枚可以通过第一枚炸开的大坝缺口钻进去。
GPS为数百架美军战机提供精确导航,大大提高了美军F-16和B-52战机的攻击精度,隐身战机和巡航导弹几乎也全部依靠GPS来选择最佳的隐蔽进攻路线。海湾战争后,第一次世界大战前后诞生的陆基无线电导航系统,被美国首先取代为GPS卫星定位导航系统。
当时,被新闻报道震撼的人们都想问,GPS怎么来的?
搁置十年
1957年10月4日,苏联成功发射了人类历史上第一颗人造卫星“斯普特一号”,两个美国人密切关注着这件人类历史上的大事。这是两个物理学家,他们在实验室中发现,这颗卫星的频率出现了偏移,经研究原来是相对运动引起的多普勒频移效应。他们又研究发现,在地面上架设多部接收机,就可以根据接收到的信号的不同频差推算出这个卫星的具体位置。
那如果反过来呢?五角大楼想知道,如何在茫茫大海中找到军舰的位置。好像有思路了。
1958年2月1日,美国成功发射了“探险者一号”卫星。1958年5月17日,毛泽东豪迈宣布“我们也要搞人造卫星”。当时的毛泽东可能并不知道,GPS系统的前身,也就是美军的子午仪卫星定位系统,已经在那一年开始研制。
1970年4月12日,“两弹一星”工程中的“一星”终于迎来了成功发射,东方红乐曲响彻太空。这时定位导航卫星已经进入了决策层的视野。因为1958-1964年间,美国海军和美国空军分别制定并实施了全球定位计划Tinmation和621-B,此后又被美国国防部合二为一。
1978年美军开始实施GPS计划,中国科学家也没有停止过对中国的定位导航卫星的论证。但按当时中国的经济和技术条件,想搞一套GPS还是遥远的梦想。
能不能尽量用较少的卫星资源建立中国自己的“GPS”?后来获得“两弹一星”功勋的陈芳允院士,提出了双星定位方案,并在1989年演示成功,实现了地面目标利用两颗卫星快速定位、通信和定时一体化。
但由于种种原因,陈芳允的计划还是被搁置了。演示成功的那一年,美国的第一颗GPS工作卫星发射成功。也是在那一年,被5年前国庆阅兵式上“我国首台亿次巨型机银河-I”的彩车震撼,放弃北大选择国防科大的王飞雪,步入了大学校园。
第二年,海湾战争爆发了,也把中国人打醒了,被搁置十年的双星定位方案马上启动。
GPS这类系统方案中,第一个要解决的问题就是:卫星该采用低、中、高哪种轨道?如果采用低轨道,发射成本比较低,精度比较高,但若覆盖全球的话则需要200颗卫星,这样浩大的工程,连美国也负担不起。
如果采用高轨道,理论上三颗卫星就能覆盖全球,但定位精度会很低,而且高轨道卫星的发射难度大。
美国采用了24颗卫星中轨道的折中方案。而中国当时的国情是既没钱也没经验,在起步阶段选择了只在高轨道发射两颗星,静止在中国上空为中国服务。空间中三个坐标才能定位,北斗一代在双星定位方案中有个高度仪,用户需要自测高程,并将结果作为第三个坐标。真是够节省的!
仓库实验
1995年,还在读博士的王飞雪,听到一个消息。正在前进中的北斗一代系统建设遇到了瓶颈问题——信号快速捕获,国内十几家单位、几十位知名专家10年没能攻破。
“为什么不可以另辟蹊径?”王飞雪和几个同伴夜以继日的奋战了好多天,写出一个新算法,红着眼睛交给导师也是系主任庄钊文。庄钊文在计算验证后眼前一亮,但他知道,事情不简单。各种质疑声不绝于耳。“这是事关国家安全和经济发展战略的重大科研项目,岂是儿戏?”“这个难题别人耗费10年功夫也没有攻克,几个年轻人能行?”不少专家甚至认为这是一个“根本不可能实现”的方案。
庄钊文带着这几个年轻人去找一位老先生。老先生跟这几个年轻人说,你们还需要用实验来证明你们在纸笔当中得出的这个结论。
这几个年轻人拿着4万尝试经费和一台台式计算机,找了一个十平方米的仓库改造成实验室。整整3年,他们一无所获,但没有放弃。“因为很难,我很兴奋,一心想搞清楚。”王飞雪说,“最初的电路板模型大如门板,光芯片就有192块,后来芯片压缩到63块,改成了3块小板。”
三年后的一天,他们像往常一样打开设备,调试等待,突然间有人说你看你看上面有一个信号,所有人把头都凑在这个小小的屏幕前,他们不相信自己的眼睛,于是重新做了一次实验,信号如约而至,几个小伙子抱在一起跳啊、笑啊、哭啊。
系主任庄钊文又带着王飞雪和几个同学去找那位老先生。老先生召集20多个专家开了一次论证会,当看到显示器上脉冲闪耀,信号捕捉成功的一刻,在场的专家们一起起身鼓掌。
这位老先生正是陈芳允。作为中国卫星测量控制技术奠基人,陈芳允当时是中国北斗一代系统的总设计师。而王飞雪,现在是国防科大卫星导航定位技术工程研究中心主任。
用不到GPS系统1/3的时间和1/4的经费,中国在2004年建成了北斗一代,成为继美、俄之后,世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。这只是第一步。
北斗一代只是“北斗导航试验系统”,虽然达到了设计指标,但其定位精度自然远远比不过GPS,前面说了,原因主要在于只有两颗高轨道卫星的节省。在GPS的反衬下,中国北斗一代因性能不强而受到诟病。
初显身手
汶川县城的通信全部中断了。
2008年5月12日下午14点28分,汶川发生了里氏8.0级地震,由于震中受灾极其严重,通信、电力、交通全部都被破坏殆尽,抗震救灾指挥部完全无法与震中取得联系。
13日12时,总站值班监控屏幕上,一个红点跳入值班人员眼帘,“灾区有人使用北斗了!”随着一声惊叫,大家的眼光聚焦到灾区的电子地图上,只见这个红点沿着马尔康、黑水的317国道急进汶川。“这是哪支部队?”卫星导航定位指控中心工作人员欣喜之后发出疑问。
“北斗一号”卫星定位导航系统虽然具备双向通信功能,但出于保密的原因,指控中心只能“看”到信号,不能解读定位终端发射信息的内容。
最后查到,这确实是一支武警救援部队奉命前往灾区。随即,一条条信息涌入指挥大厅的屏幕上:“我支队已于11时以摩托化向成都方向机动”、“美英法等国游客被困卧龙人员安全”、“卧龙特区请求空投帐篷和药品”……
14日,总站受命派出北斗导航应急分队,携带近千台用户机紧急奔赴灾区,迅速架起军队抗震救灾指挥部与灾区一线各级指挥机构的沟通桥梁,实现了抗震救灾的顺畅指挥。之后,安装在唐家山堰塞湖的北斗水文监测系统,不断传回最新水情数据,为排险提供可靠决策依据;加装在抗震救灾直升机上的北斗装备,有效解决了山区复杂环境下航迹监视、通信联络等问题,提高了飞行安全系数。
这就是北斗的首次成功应用的故事。北斗一代,因为比不过GPS和海事卫星被骂得最多的一代,在地震时却发挥出了不受地面影响的优势。
由于美国的做法是定位和通信卫星各司其职,所以GPS不具备北斗这样的通信功能。北斗一代的大部分信道资源必须让给定位数据的传送,所以通信上不能语音,只能短信,可没想到,真派上了大用场。
就是这个在骂声中成长起来的北斗一代,成为了救援指挥部队和前线救援人员最得力的通信助手,最大限度地保证了“72小时黄金抢救时间”的有效利用,彰显了北斗服务民生的技术优势。
“伽利略”姻缘
1983年,韩国客机因导航故障误入苏联领空被击落,美国政府开始重视卫星导航的民用性,时任总统里根决定开放GPS给民众使用,GPS由军方专用变为军民共用。
1996年,时任美国总统克林顿发布《国家GPS政策》,承诺免费持续对民用开放GPS标准定位服务;鼓励各国引入使用GPS,激励GPS民用设备制造商、应用开发商和增值服务商进入民用市场。随着2000年GPS被写入《美国法典》,GPS军民两用性得到了法律形式的确认。
早期,GPS系统在所有的民用信号上放了干扰。后来为应对俄罗斯/苏联的格洛纳斯系统挑战,取消了这个干扰,定位精度就得到极大提高。但是,GPS开放的只是民码,定位精度仍然比美国军方使用的军码差了十倍。
天下没有免费的午餐,美国为什么要免费提供GPS服务?一个很重要的原因是,要收费,在技术上做不到。GPS是单向通信体制,只管发信号,是谁在接收并使用这些信号却不知情,也就无法收费。
美国索性“免费”提供服务,再通过收费的产品,衍生出一个庞大的国际性产业,既能使美国自身相关的高科技公司受益,又输出了强大的国家软实力。虽然美国政府在GPS不同发展阶段颁布了一系列国家政策,但是其核心思想有不变的特性:维护GPS全球领先地位,获取军事和经济效益。
但是美国随时可以停止GPS民码服务、增加干扰、乃至提供虚假位置服务信息。如果别的国家的军事系统上安装美国GPS,就受制于人,在关键时刻可能会导致灾难性的后果。
这事情还真发生过。1999年印巴Kaigil战争期间,美国直接关停了印巴战区的所有GPS服务,导致双方依赖GPS的设备无法使用,给双方造成巨大损失。
所以不仅是中国,美国的盟友也想搞一套自己的系统。法国前总统希拉克曾感慨地说:“没有自己的卫星导航系统,欧洲将不可避免地成美国的附庸。”
尽管美国反复劝阻,欧洲还是铁了心要搞自己的伽利略系统。
一天,科技部国家遥感中心副主任张国成回家时,儿子问他伽利略计划是怎么回事。张国成趁机做了次“科普”,儿子这下才知道,原来代表中方在中欧伽利略计划技术合作协议上签字的人就是他的父亲。
4年前,欧盟委员会副主席德帕拉西奥在和时任国家总理朱镕基会晤时表示,欢迎中国参与伽利略计划。中国和欧盟都希望合作研发自己的卫星导航定位系统,而相对独立于美国的GPS技术。在后来的谈判中双方一拍即合,中国拿出2亿欧元“入会”。
但中国真正的“入会费”其实没那么多。根据协议,中国第一阶段投入7000万欧元,其中只有500万欧元是支付外汇,相当于“入会费”,另外6500万欧元将以实物形式支付。也就是说,科技部将拨出经费,由国内的科研生产单位来承担项目,进行设备研制等。这为中国的机构和企业争取到了相当大的利益,在艰难的谈判之后,欧盟也作了让步。
诚心加入伽利略计划的中国,将自己的“北斗”定位为区域导航系统。但事情却起了变化。
进入2005年,欧洲政治开始转向,之前“亲华”的德国总理施罗德黯然退隐,由来自亲美政治家默克尔担任德国新总理,而法国也进入了领导人交替的时代,希拉克的影响力逐渐下降,亲美的萨科齐于2007年开始担任法国总统。
在伽利略计划的财政和利益分配上,
欧盟也开始排挤中国,将中国关在了“伽利略”核心决策的大门之外。
中国对“伽利略”的影响,甚至比不上没有为信号扩增系统支付一分钱的日本和印度。加上中国不可能接受国防上与日本、印度使用相同的系统,于是中国开始把注意力转移到沉寂数年的“北斗”系统上。

频率之争
法国前总统希拉克说过,伽利略是为了避免欧洲沦为美国“技术附庸”的系统。他后来又说,可事情怎么发展成了这样,再这样下去,欧盟将陷入受中国制约的境地。
这戏剧性的变化,要从频率资源说起。
在卫星导航系统建设初始阶段,频率资源相对比较充沛,建设时间较早的GPS系统和GLONASS系统不存在频率资源的冲突问题。到了北斗系统和“伽利略”系统建设的时候,频率争夺战就非常明显了。
根据国际电信联盟“先占先得”的规定,哪一个国家能够先把这颗卫星发射上去,并且卫星向下发射这个频率的信号,以后这个频率资源就是他的了。这就不可避免地遇到了卫星轨道和频率争夺的问题。
先占先得的原则,显然是发达国家为自己的利益设计的,貌似公平,其实就不给发展中国家机会。但人算不如天算,欧洲出现了经济危机,“伽利略”系统资金链断了。当时“伽利略”系统提前申请了频率资源,并发射卫星占领了轨位。但是卫星并没有开通,只是占了轨道但没占频率。
“频率是国家战略资源,要像捍卫国土一样捍卫频率资源。”北斗频率设计与国际协调首席专家谭述森说。
经过复杂的频率设计与周密的干扰仿真计算,创造性地提出了卫星导航频谱共用与兼容性评估准则。经过与几十个国家 300 多次艰苦的谈判, “北斗”终于争取到了系统发展所必需的宝贵频率资源。
2007年4月17日,是北斗系统申报的频率资源的最后期限,要求北斗试验星必须提前发射。
卫星发射通常只有延迟,没有提前。为了争夺这个战略资源,经过各个部门的通力协作,截至4月14日长征三号甲火箭完成所有准备工作,在西昌卫星发射中心竖起等待发射。然而4月14日凌晨4点07分,现场又发现新的问题,火箭有一个连接器没有按照规定脱落,如果三分钟内不能解决这个问题的话,对火箭、卫星甚至发射场都会是灭顶之灾。
当时的发射指挥员在一分钟内下了7道指令,4点11分的时候,火箭带着北斗试验星成功升空。
4月14日发射北斗试验星,4月15日卫星实现变轨,4月16日始向下发送信号,在距离4月17日北斗申请的频率资源失效前24个小时内,中国正式启用了北斗申报的频率资源。
但这颗卫星进入轨道不久,遭遇大功率复杂电磁干扰,信号接收成功率不足50%。要是不解决,即将组网的10多颗卫星发射计划将无限期推迟。
要在小小的卫星上增加抗干扰设备,打造电磁盾牌,“好比把一头大象装进一个小冰箱。”这个问题,后来又是王飞雪团队解决的,他立了军令状,在3个月内,拿出了具有超强抗干扰能力的卫星载荷,将我国北斗卫星抗干扰能力整整提高了1000倍。时任我国卫星导航工程总设计师孙家栋院士感慨:“你们是李云龙式的科研团队,关键时刻敢于亮剑,亮剑必胜!
中国北斗二代把轨道和频率都占上了,由于频率覆盖问题,除非中国事先同意,否则“伽利略”常规公共服务信号便无法用于军事目的。这就是希拉克那句话的缘由了。
而在谈判桌的背后,可不只是争取抢先发射那么简单,背后是中国攻克一个个核心技术,绕开欧美专利的实力。曾多次参加中美、中俄、中欧等国际谈判的王飞雪说:“实力,你必须拿出自己的看家本领,让世界看到你的实力。”
自主可控
肖恩·康纳利的《偷天陷阱》里,两个大盗利用两地时间不统一来窃取巨款。时间就是金钱。
授时,是北斗卫星导航系统除了导航定位服务外,另一个重要功能。
跨海大桥、海底隧道,许多台起重机一起合作,动辄上千米的作业面,时间上差一点,就失之毫厘谬以千里。北斗授时的同步精度已经到了纳秒级,比用电缆连起来搞“同步控制”的电信号传输延时还要小的多,真是做到了“心有灵犀”,分毫不差。
卫星要有高稳定的时间基准信号,需要星载原子钟,这是导航卫星的“心脏”。在建设北斗之前,中国原子钟技术非常薄弱,原子钟产品全靠进口。进口钟不仅价格昂贵,而且关键技术掌握在别人手里,将使北斗系统潜伏巨大安全隐患。
“我们自己的导航卫星一定要用我们自己研制的原子钟!”北斗系统总师、“两弹一星”元勋孙家栋说。
原子钟工作原理涉及量子力学、电学、热学以及光学等学科,指标要求相当苛刻。中科院武汉物理与数学研究所、航天科技集团空间技术研究院、航天科工集团二院 203 所等单位对星载铷原子钟一系列关键技术开展攻关。
这是一项非常“熬人”的工作,为了保证24小时不间断地测试,科研人员经常是白天调试,晚上盯在测试仪器前,观察数据,一测就是一整夜。在日夜兼程进行调试的阶段,大家就像上了发条的“钟”一样连轴转。
“三天三夜不合眼,那种上眼皮如同坠了铅的感觉大家一开始很不适应,有了第二回、第三回后大家都习以为常了。”大家做梦经常会梦到原子钟联调的情景:如何接线、如何搭电路、示波器上如何显示,如同真实的工作场景一般。有时,技术人员一觉醒来,立马翻身下了在办公室里的行军床,赶紧将梦中的情境记录下来,验证、调试,困扰多日的问题竟然解决了。
2005年,203所交付了我国首批两台星载铷原子钟工程化初样鉴定机,标志着我国原子钟自主化迈出一大步。2007年,赶上了为争夺频率资源提前发射的北斗试验星,我国自主研制的星载铷原子钟上天服役。
如今,我国已在国产北斗芯片、模块、天线等关键技术方面取得全面突破,已掌握卫星导航芯片核心技术自主知识产权,北斗芯片跨入40纳米新时代。
特别值得一提的是,第16颗北斗卫星开始,首次使用中国制造的“龙芯”中央处理器(CPU)。国产化率达到95%。卫星上有3个被称为“单机”的黑盒子,每个约有4本400页的32开图书摞起来那么大。其中两只黑盒子里,每只装了2片龙芯1E芯片和4片龙芯1F芯片。龙芯1E负责进行常规运算,龙芯1F完成数据采集、开关控制、通讯等处理功能。
北斗照耀
北斗有五个非常显著的特点。
第一,是三种工作频率。北斗使用的是三频信号,GPS使用的是双频信号,这是北斗的后发优势。三频有利于提升抗电离层的干扰,提高定位可靠性。
虽然GPS从2010年5月28日发射了第一颗三频卫星,但等到GPS卫星全部老化报废更换为三频卫星还要好几年。
第二,是有源定位及无源定位的结合。有源定位就是接收机自己需要发射信息与卫星通信,无源定位不需要。有源定位的好处是当你观测的卫星质量很差,仍然可以定位。坏处是在战争中会暴露你的位置信息。
孙家栋院士说:“有源与无源两种体制的结合,是中国北斗的最大特色和亮点,也是中国北斗的优势所在。”“北斗是八万多人干了20多年,我们走了一条绝无仅有的路,别人都没走过的,我们走成了。北斗二号总设计师助理郭树人说。
第三,短报文系统。北斗的独门绝活。基于这个功能,北斗不但能知道我在哪,还能让别人知道你在哪。这个功能有利于求救。汶川大地震让大家看到了北斗的优势,震区唯一的通讯方式就是北斗一代。
第四,建设开通速度。对比伽利略系统,北斗的建设速度快。此外北斗采取分步开通,而GPS之类必须整个系统建成后才能使用。北斗在创新的空间星座支持下,仅仅发射了16颗卫星,就于2012年12月27日在亚太地区正式开通运行,这有利于加快北斗的商用进程。
第五,三种轨道。目前另外三个全球卫星定位系统都采用距离地面20000千米左右的中圆卫星轨道,而北斗是唯一采用三种轨道搭配的星座:27颗卫星处在距离地面21500千米的中圆轨道,分布在三个轨道面上,保持55度倾角;5颗卫星采取赤道上空35800千米高的地球静止轨道;3颗卫星处在地球同步轨道(也接近35800千米高)、保持约55度倾角。
北斗的地球静止轨道和倾斜同步轨道是为中国乃至亚太地区特殊定制而来。亚太地区可以几乎永久保持至少12颗卫星可见,大幅提高该区域定位精度。
尾声
12月24日,马斯克在推特上转发了《科学美国人》杂志的有关我国探月工程嫦娥四号探测器成功发射的文章,并评论道:“中国在太空方面的进步令人惊叹,今年他们完成的轨道发射数量首次超过了美国。”
今年是历史性的一年。
12月23日,在几次拖延之后,第三代GPS系统的首星在卡纳维拉尔角发射升空,这是2016年最后一颗GPS-IIF卫星升空后,美国首次发射GPS系统的新卫星。
2018年,我国一口气部署了17颗北斗第三代导航卫星,同样在年底,中国宣布“北斗三号”基本系统开始提供全球服务。
按照北斗35颗卫星的设计布局,今年是北斗建设史上最核心的一年,10箭18星,也创下了全球卫星导航系统组网最快纪录。世界四大系统中,美国GPS系统最快纪录为一年6星,苏联/俄罗斯格洛纳斯系统为一年9星,欧洲伽利略系统为一年6星。
当年,陈芳允院士提出“双星定位”,仅仅两颗卫星,计划被搁置了十年。陈先生去世已经18年了,世界真的变了,中国也真的变了。
小学有一篇语文课文,叫《要是你在野外迷了路》,许多中国人都学过。“要是你在野外迷了路,可千万别慌张,大自然有很多天然的指南针,会帮助你辨别方向。”
想给这篇课文加一句:天上还有些星星,是中国人建成。告诉你位置,还可以告诉最想念你的人。
想向开拓中国北斗事业的这些科研工作者致敬。
责编|徐蕾
审核|隆洋


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