沈苑 中科院微小卫星创新研究院导航所副所长 北斗导航卫星副总指挥

拉群聊天这种事,连北斗卫星都无法幸免了

造就 TALK · 2018-02-25 · 13:08:51

第253位造就者 沈苑

中科院微小卫星创新研究院导航所副所长

北斗导航卫星副总指挥

接到邀请函的时候,我正在大凉山的深处的西昌卫星发射中心。就在1月12号早上7点18分,我们中国用一箭双星的方式成功地发射了一组北斗导航卫星。这两颗北斗导航卫星将为我们的全球用户提供服务。

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在我们的传统认知里,北斗是由天空中的天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳、瑶光这七颗星组成的。而今天我们所说的北斗是中国北斗卫星导航系统,它是中国自主研发建设的全球卫星导航系统。

目前全世界范围内,能够被称为「全球系统」的,只有中国的北斗、美国的GPS、俄罗斯的GLONASS,还有欧盟的伽利略系统。

可以说,一个完善的卫星导航系统是一个国家综合实力的最佳展示

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除此之外,北斗系统是全球范围内首次实现混合的异构的星座。美国的GPS和欧洲的伽利略等都是地球中远轨道的卫星,而北斗是由GEO、IGSO和MEO混合的星座。它既能实现全球的覆盖,同时由于部分卫星定点在中国国土上空,因此能够为本土提供更高精度、更好性能的服务。

我们还研发成功了自主知识产权的导航信号,可以在更短的时间内,提供更优质的信号,提升定位的速度与精度。

天空之城是怎样建成的?

北斗的建设过程非常漫长。

从1994年形成雏形,到2000年北斗一号建成使用,开启了我们俗称的北斗三步走的第一步

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第二步我们称它为北斗二号。它由14颗卫星组成,有30多个地面站。我们在2012年的12月27号正式宣布向亚太地区提供十米级的定位测速授时等等功能。

第三步是北斗三号,也就是真正意义上的北斗全球系统。这项工作是从2009年开始启动。去年的11月5号,我们发射了第一组北斗三号双星,1月12号发射的是第二组。今年,还要发射18颗MEO卫星,2020年要完成全部的三十五颗卫星的发射和部署,具备向全球用户提供服务的能力。

通过发射三十多颗卫星,我们将在空中织成一座叫做北斗的天空之城。

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从北斗二号到北斗三号,不仅仅是卫星数量的增加,而是将服务区域从局部扩展到全球,并实现与GPS、GLONASS和伽利略的兼容互操作。此外,精度也从区域系统的10米精度提升到了2.5-5米。

大家都知道时间是定位的基准,星载的时频就是导航卫星最根本的指标。北斗三号卫星配备了更高精度的氢原子钟和铷原子钟。

我们都知道,机器表的时间是有误差的,每一天可能会偏差一秒。石英表可能好一点,每一天偏差在0.1秒。而铷原子钟每一万秒的偏差在十乘以负十四次方,氢原子钟精度更高,万秒偏差在十乘十的负十五次方秒。

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也就是说,每三百万年到一千万年才偏差一秒。称它为最强心脏,不过分吧?

让宇宙中的两颗尘埃私聊

就像人体一样,我们除了需要一个很强的心脏,也要有非常畅通的经络。

卫星在天上,并不是一个失去联系的风筝。地面随时需要向卫星上注一些数据,纠正它的一些偏差等等,来确保整个系统长期稳定的运行。为此,GPS在全球范围内部署了很多的地面站,来构建全球系统。

但北斗在区域拓展过程中,碰到的第一个拦路虎是如何去海外建站。海外建站,周期长、国际上的协调难度大,似乎是一个短期不能攻克的难关。于是,我们的科研人员就将目光投向了空中。

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既然我很难在其他国土上建设地面站,为什么不把这项工作放到卫星上去做呢?这就是我们北斗导航卫星的星间链路。简单来讲,就是通过在卫星间打通一条通道,让卫星和卫星之间能够星探星、手拉手。

在浩瀚的宇宙,两颗卫星在各自的轨道上相距5万到7万公里,仿佛就是两颗尘埃。我们北斗的星间链路技术让这样两颗尘埃,在一百毫秒里,相互捕获、锁定,并且发送信号。它们可以经常交互时间的信息,交互轨道的信息。

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基于星间链路的北斗,能够在一段时间内,通过相互校准来维持自主运行。这就是我们将来要说的自主导航的能力。

卫星也能装载APP

做软件的都知道,Bug是修不完的。其实这句话同样适用于我们卫星研制的这个行业。在有限的时间内,我们很难拍胸脯说我们把所有的问题都解决了,卫星上天后就不会再有问题了,这做不到。

通常卫星发射时的功能是什么样的,它就是什么样的。假设它在轨出现问题了怎么办?对不起,没有办法。

现在,我们在北斗上实现了在轨重构的功能。这意味除了固件以外,其他的像CPU、DSP、SPGA都能够在轨重构。

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也就是说,当卫星上天后暴露出一些新的问题后,我们可以让系统自己升级,不断地给自己打补丁。

假如我们的用户提出了新的要求,也不用重新发射一颗卫星。可以在地面实现新功能,测试验证好了,再上注上去,相当于给我们的卫星也装载了个新的APP。

我们的征途,是更远的星辰大海

传统的导航经常会把我们往水沟里导,通过北斗实现更高精度定位后,这样的情况将不会再发生了。随着北斗系统的建成与投入使用,精准农业也将成为可能。

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还有一个画面,大家可以畅想下。白天道路上是川流不息的人群车辆,到了晚上,基于北斗系统,一辆辆无人配送的车辆昼夜不息地工作,等我们早上醒来,包裹就已经出现在我们的面前了。

北斗这样的一座天空之城将改变我们的生活,改善我们的体验,也改变我们的种种生活方式。

从神话传说里面的嫦娥奔月,到万物飞天到现在已经在实施的火星探索计划。人类几千年以来,从来没有放弃过对宇宙的探索,这个脚步也不会停止。北斗导航系统将为人类走向更远的星辰大海提供梦想的天梯。


编辑丨Liz

文字丨汉岚

校对丨其奇、LUSEN

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