北斗導航衛星效果圖中科院微小衛星創新研究院供圖
■本報見習記者 劉如楠 記者 沈春蕾 甘曉
7月31日，北斗三號全球衛星導航系統（以下簡稱北斗三號系統）正式開通。
多年來，中國科學院發揮多學科綜合優勢，在衛星制造、關鍵單機及部組件、核心芯片、時間與軌道測量、星地試驗等方面，為北斗三號系統研制提供了強有力的科技支撐，詮釋了科技創新的核心價值。
近日，“中國衛星導航系統重大專項”成果入選中科院“率先行動”計劃59項重大科技成果及標志性進展。
自主創新的“北斗星”
“自主鑄就北斗星，創新擘畫玉汝成。開放彰顯乾宇志，融合時空謀共贏。萬眾抗疫同舟濟，一心相異退群聲。追求普惠華夏愿，卓越湛盧獻和平。”前不久，中科院微小衛星創新研究院副院長、北斗三號系統總設計師林寶軍以新時代北斗精神——自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越為題，作了一首藏頭詩。他把北斗比喻成“湛盧劍”，科研人員則是“鑄劍人”。
作為國家戰略科技力量，中科院微小衛星創新研究院、精密測量科學與技術創新研究院、上海天文臺、國家授時中心、國家空間科學中心等多家科研院所聯合攻關，成功研制和發射12顆北斗導航衛星，為北斗系統提供從原材料、元器件、核心部組件到衛星，從星上到地面的全鏈條解決方案。
林寶軍介紹，科研人員通過自主創新實現多項高科技：突破全球系統組網衛星的核心關鍵技術，首創導航星座星間鏈路技術，實現了“一星通、星星通”，衛星觀測PDOP（位置精度強弱度）值提高10～30倍，在7萬公里的距離，100毫秒可以實現衛星捕獲和測距，衛星雙向測距精度高達1厘米；全面推進自主可控，采用了國產龍芯+FLASH的架構，填補了國產航天處理器空白，同時實現了微波等核心器件全部國產化，帶動材料、器件、部組件、單機到系統整個產業鏈發展，使核心器部件自主可控……
“我們這支團隊81個人，平均年齡31歲，干成了前人花20年才能干完的一件事情。”林寶軍相信，未來一定能夠將北斗做成跟GPS旗鼓相當的導航系統。
最強“大腦”和“心臟”
在諸多自主創新技術中，最為基礎和核心的技術是全球衛星導航系統時空基準技術，也就是衛星系統的“大腦”和“心臟”。
由中科院上海天文臺研發的信息處理系統部分基礎模塊就像北斗的“最強大腦”，能實時修正誤差、多備份，以保持高可靠度，確保北斗空間信號精度與GPS相當。
星載原子鐘為衛星系統提供高穩定的時間頻率基準信號，因其必須不間斷且穩定，如同脈搏和心跳，被稱為導航衛星的“心臟”。中科院精密測量科學與技術創新研究院研制的第三代星載銣原子鐘，如今已實現精度每天一百億分之三秒，達到國際領先水平；中科院上海天文臺研制的星載氫原子鐘實現了約600萬年僅誤差1秒的精度，大幅度提升北斗導航衛星系統的時間基準精度。
“北斗為大家導航，而我們為北斗‘導航’”，科研人員中流傳著這樣一句話。正是有了最強“大腦”和“心臟”，北斗三號系統的建成令世界對中國的衛星研制技術刮目相看。
“長板”創新拓展未來需求
在林寶軍看來，中科院北斗導航衛星研制團隊的前沿科技創新來源于理念上的變革。“通常，大家都習慣于‘短板理論’，希望通過彌補技術短板來實現性能提升，‘短板理論’最經濟。”他告訴《中國科學報》。
因此，一般衛星上使用新技術的比例不到30%。但是，在北斗三號系統的研制中，中科院科研團隊創造性地采取“長板理論”的策略，旨在最大限度拓展未來成長性需求。林寶軍認為，這給北斗三號系統的設計帶來了顛覆性改變。
中科院上海天文臺研制成功的第一臺雙頻氫原子鐘便是“長板理論”的最好詮釋，其精度比銣原子鐘高一個數量級。“這臺氫原子鐘雖然沒有在軌運行過，但我們認為技術是可靠的，同時也裝備了銣原子鐘以確保萬無一失。”林寶軍介紹。
同時，科研人員也看到了先進技術創造的潛在應用場景。氫原子鐘可在20皮秒內與銣原子鐘“無縫切換”，實現自主連續提供信號。“這就意味著，如果開車時導航信號中斷，可以在用戶察覺不到的情況下切換到備份信號。”林寶軍說。
基于“長板理論”，科研團隊相信，新技術只要靠譜，不用十年，就能創造巨大的應用空間。
《中國科學報》 (2020-09-16 第1版 要聞)
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