天枢、天璇、天玑、天权、玉衡、开阳、摇光七星,布于夜空,宛如舀酒之斗,名曰北斗七星。
自古以来,北斗七星可定方向、定时辰、辨四季。《史记·天官书》载:“斗为帝车,运于中央,临制四乡,分阴阳,建四时,均五行,移节度,定诸纪,皆系于斗”。
斗转星移,如今,又有北斗入夜空。
年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通。中国智慧在茫茫太空中建立了新的导航标尺,为全球用户提供全天候、全天时、高精度定位、导航和授时服务。
点亮北斗的,是中国航天人26年的不懈努力。
北斗一号:双星定位
年9月,大韩航空号航班在库页岛附近上空被苏联导弹击落,人罹难,举世震惊。调查结果显示:客机因地磁导航故障,误入苏联领空,引起误判。当年,美国决定将建设中的GPS全球导航系统开放部分民用功能。
中国科学家很清楚,美国的全球导航系统不可能全部开放给别人用。关键时刻,它可以关闭信号,可以发出错误信号。卫星导航,绝不可受制于人。
同一年,中国科学院院士陈芳允联合其他专家,向上级提交一份报告,提出利用两颗地球同步轨道卫星来测定地面和空中目标,以“双星定位”建设中国人自己的导航系统。围绕卫星导航的一系列论证、研究自此铺开。
谢军
陕西西安,中国航天科技集团五院所天线技术研究室,当时有一个刚毕业一年的大学生,叫谢军。别看才24岁,工作很拼。一次野外测试,谢军爬上数十米高的测试塔架,在不到1平方米的平台上迎风工作。等忙完工作下到地面,看着他苍白的脸,同事们才知道,小谢有恐高症。
凭着这股拼劲儿,谢军在所崭露头角,参与一系列卫星导航技术的研究和设备制造,其中就包括北斗一号卫星所用天线的相关技术。
埋头苦干的,不仅仅是谢军。
年,随着论证进一步成熟,我国正式立项建设导航系统,取名“北斗”。导航卫星整星的研制任务交给了中国航天科技集团五院部。部里,刚从南京航空航天大学毕业的助理设计师王东,跟着前辈们绘制第一颗北斗卫星的结构星图纸。
研制北斗首星,难度不小。这颗卫星采用了东方红3号卫星的基础平台,但卫星质量更大,天线尺寸更大,因此吊装难度极大,“吊装中一旦出意外,将会对整颗卫星带来灾难性的后果。”王东说。
经过3个多月的反复计算,王东提出在卫星上均匀布设16个M5号螺钉来匹配吊具,进而建立一整套规范,为后续卫星初样、正样研制以及转运发射奠定了基础。
年,北斗一号首星成功发射。
年至年,我国先后发射3颗北斗导航卫星,建成“双星定位”、一星备份的北斗一号导航系统,成为继美国、俄罗斯之后第三个拥有自主卫星导航系统的国家。
北斗从无到有,谢军和王东倍感自豪。当时,他们并未想到,未来17年,他们中的一人会担任五院北斗三号工程副总设计师、卫星系统首席总设计师,一人会担任北斗三号卫星副总指挥。
回望过往,两人都说,能与北斗共成长,是此生最骄傲的事。
北斗二号:冲刺三年
年9月,已经担任所所长的谢军接到了两个来自北京的长途电话。
第一个电话是时任中国航天科技集团五院院长袁家军打来的,他对谢军说:“北斗二号工程将要启动,院里决定调你担任技术总负责。”
挂断电话,谢军沉默良久。建设北斗一号,五院上下用足了劲,北斗二号技术难度更高,能不能担起技术总负责的担子,谢军心里没底。
很快,时任五院常务副院长兼北斗一号卫星总指挥的李祖洪打来了第二个“你别犹豫了,北斗二号的任务很紧迫,难度很大,国家需要你!”
这个电话帮谢军坚定了信心,他很清楚,北斗一号系统只是解决了导航从无到有的第一步。“双星定位”系统无论是覆盖范围还是定位精度,都难以满足国家发展和人民的生活需求。他不再迟疑,以最快速度完成工作交接,进京上任。
年,北斗二号工程正式立项启动。这是一项前所未有的浩大工程。北斗一号系统加上备份星,一共只需3颗卫星。而北斗二号需要14颗卫星才能达到“为整个亚太地区提供服务”的目标。
更紧迫的,是时间!
当时国际电信联盟规定,任何国家申请的空间轨道和信号频率资源以7年为限,如超过7年还不能将所设计的卫星发射上天启用,所申请的频率资源就要作废。
北斗系统需要的导航信号频率段,年就已经申请,2年4月17日到期。一旦频率资源作废,将给我国的导航系统建设带来难以估量的损失。频率和轨道位置资源必须保住。
加速!冲刺!
2年大年初三,五院大队人马从北京抵达西昌卫星发射中心。所有参试人员先干3天体力活:搬设备、扛机柜、布电缆……然后对卫星进行小时的不间断加电测试,及时排除故障,确保卫星进入太空后能正常工作。
时间一分一秒地流逝,每个人都顶着巨大的压力。有的队员拉起了肚子,发起了烧,谢军更是晕倒三次。但大家都咬牙坚持,一定要把卫星打上天,尽快启用,保住中国的频率。
发射前,“两弹一星”功勋科学家孙家栋找到谢军,很严肃地问道:“万一卫星在太空发生故障怎么办?你们如何跟地面测控系统、发射场系统协调应对意外状况?”前辈的叮嘱,谢军记在心上,逐一落实应急方案,详细记录在“发射任务清单”上。
北斗卫星研制团队在发射塔前合影
4月14日凌晨4时11分,长征三号甲运载火箭腾空而起,将北斗二号系统第一颗中圆轨道试验卫星送入太空。
4月16日20时14分,试验星有效载荷产品加电开机。
所有参与北斗二号导航卫星接收终端产品研发的单位,都将自己的接收设备放在一个操场上,等待着来自太空的信号。
21时46分,指示灯亮起。地面系统工程接收到了卫星播发的B1导航信号;21时54分,接收到卫星播发的B2导航信号;22时03分,接收到卫星播发的B3导航信号。
“成功了!”操场上的所有人高兴地跳了起来,不少人喜极而泣。“卫星导航频率终于保住了!”谢军看了看手表,此时距离国际电联规定的期限,仅剩不到4个小时。
这并非终点,只是又一次废寝忘食的开始。
因为北斗,王东曾“一月白头”。
王东30多岁时,升职为主任设计师,为了研制一颗试验卫星,他几乎天天泡在单位。
这颗卫星,王东很有信心。发射、入轨、开机工作,一切正常。可卫星开始执行任务动作时,出现了意外:既不下传数据,也不接收上注指令。
王东和同事急得嘴上长泡,他们逐项梳理卫星各元器件的性能参数。从白天到夜里,王东房间的窗帘始终紧闭,屋内主要的亮光就是一台笔记本电脑和一架台灯……
整整一个月,熬红了双眼的王东和同事们终于找到了问题——一根电源线存在短路风险!从实验室到前方基地,在所有技术人员全力以赴地抢救下,试验卫星“起死回生”。
此时,王东已白了头发。
十多年间,很多人建议王东染染头发,他总是摇头,他把白发看做一种提醒,“这是我人生中一段最宝贵的经历,提醒我们航天事业‘稳妥可靠、万无一失’是如此重要。”
北斗三号:中国制造
北斗二号导航卫星接续发射,谢军和王东又有了新的任务。
9年,北斗三号系统正式立项。“这次,我们的目标是面向全球。”已担任北斗三号卫星副总指挥的王东说。
面向全球,意味着对卫星和系统提出了更高的要求。想要不受制于人,就必须创新、突破,掌握最顶尖的技术。
想给人“指路”,就必须先清楚自己在哪儿。在太空中实现这“简单”的道理,困难重重——
北斗三号系统的每颗卫星上都装有原子钟用于定时、定位。卫星发送定位信息的速度是光速,即每秒30万千米,意味着即使只有1毫秒的误差,定位精度误差就可以达到千米。
太空中,因阳光的直接照射和地球阴影区域的不断交替,卫星每天温差达余摄氏度。而星载原子钟又对环境温度非常敏感,温度变化很可能造成误差。必须要解决这一问题。
……
谢军无数次深入生产单位,做产品试验时,他一直守在车间,甚至36个小时不合眼。他和团队反复试验,为星载原子钟组设计了恒温舱,通过精密的温控措施,将温度控制在设定目标值正负1摄氏度之内,确保星载原子钟运行万年也能将误差控制在1秒以内。
精益求精,带来了高精准的定位。
8月3日举行的新闻发布会上,北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其说,根据全球连续监测评估系统最近一周的测算结果,北斗系统全球实测定位精度均值达到了惊人的2.34米。通过地基增强、精密单点定位,还能提供最高厘米级的定位服务,为实现“车道级”导航奠定基础。
北斗系统并没有像GPS系统那样在全球建站。为解决境外的卫星数据传输通道,五院北斗三号研制团队又攻克了星座星间链路技术,实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。“每一颗卫星自身就是通讯中继站,可以联系天上的伙伴们,及时向地面用户传递数据、信号。它们还能相互测距,自动‘保持队形’,减轻地面管理维护压力。”王东说着,脸上满是自豪。
不仅如此,北斗三号系统还提升了短报文能力,不仅能提供相对抽象的位置坐标,还能发信息告诉