北斗星耀全球!这支湖南"北斗天团"为之奋斗20多年……

2020-07-31 16:40:51 [来源:湘伴微信公众号] [编辑:周泽中]
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湘 伴 导 读

今天上午,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在人民大会堂举行。

习近平总书记宣布:“北斗三号全球卫星导航系统正式开通!”

北斗梦圆,举国上下为之欢腾。让湖南人自豪的是,这背后“湖南力量”功不可没。

今天,湘伴君更要特别介绍,国防科大北斗科研团队20多年来的攻坚历程。

在“北斗”问天的艰苦征程上,国防科大北斗科研团队自1995年组建以来完整经历北斗一号、二号、三号系统建设全过程,先后突破了以“快速捕获与信号接收、卫星抗干扰、系统高精度测量、系统体系级仿真评估、分布式地面运控架构”为代表的一系列关键技术,发展成为北斗系统技术创新引领者,为我国北斗系统从无到有、从追赶到并跑甚至局部领跑做出了卓越贡献。

奋勇直前——拥有中国自己的导航系统

1983年,一个名为“双星快速定位系统”的卫星导航与定位方案被提出。然而,系统建设的瓶颈——信号快速捕获问题,有关单位攻坚十年,始终未能突破。

卫星导航定位技术,属于国家战略资源,是大国较量的“杀手锏”,对其核心关键技术,谁都紧紧捂在怀里。加之“双星导航系统”走的是中国特色之路,没有资料可以借鉴。

1995年初春,正在攻读博士学位的国防科大电子科学学院王飞雪、欧钢、雍少为3位博士生,出差时无意中得知此事。在深入调研后,他们将新兴的计算机技术引入卫星信号处理领域,提出“运用全数字信号处理技术破解卫星信号快捕精跟难题”崭新研制方案。

经过国防科大庄钊文教授细心完善、仔细验证,这套“全数字化快速捕获信号与接收技术方案”得到中科院院士陈芳允高度肯定。那一年,王飞雪、欧钢、雍少三个人都只有二十多岁。

带着4万元经费和一台计算机,他们回到学校开始艰难攻关。由于全数字快捕精跟技术“前无古人”,创新难度大,算法复杂,研制任务繁重,从理论、关键技术攻关,到样机研制、工程实现和定型、外场实验和正样生产,其间每一关都是对他们的极大考验。

没有实验室,就借用不到10平方米的仓库;没有仪器设备,就找其他课题组“蹭”。关键时刻,他们的研究得到中国工程院院士郭桂蓉的大力支持。

3年后,北京星地对接现场,显示器上脉冲闪耀,信号捕捉成功!

扫除了“拦路虎”,3位年轻人又接连突破信号精跟和解调关键技术,成功研制出全数字快捕和信号接收系统,一举打破了国外在这一核心技术上的封锁与垄断!

该系统被安装在北斗导航系统的主控站,成为地面运控系统的核心设备,安全稳定运行十几年,没有出现任何差错,成为地面系统中最可靠的设备之一。相关科研成果荣获军队科技进步一等奖、国家科技进步二等奖。

地面信息处理系统,是北斗一号地面主控站的核心系统,为确保北斗一号拥有一个高灵敏的“大脑”“中枢”,有关部门公开向社会招标。1996年12月,国防科大计算机系将该系统攻坚任务揽入怀中。学校从教学科研一线抽调40多名专家骨干,成立北斗一号地面信息系统研制团队。

国防科大教授王志英带领团队独创了高效数据压缩和提取技术,并乘胜追击拿下双工双实时处理系统。该系统在双工容错、体系结构、故障判别、系统切换、时钟同步、性能评测和定位精度保障等方面具有独创性,实时应用设计技术、分布式面向对象数据监控技术、大容量内存锁定技术、双工设计和切换等关键技术达到国内领先,达到一年停机不到半小时,有效实现了强实时、高可靠、大容量和大规模并行分布处理功能。

仅用时一年多,北斗一号地面信息处理系统各分系统研制任务宣告完成,验收的专家们认为该系统是一款功能强大的北斗一代地面应用指挥系统。

2000年10月31日晚,中国首颗北斗卫星被长征三号火箭送入太空,她以势不可挡的气势冲破大气层,照亮夜空。北斗一号向全世界宣告:中国已成为继美国、俄罗斯之后,第三个拥有自主研制卫星导航系统能力的国家!

在北斗一号卫星导航系统组网当天,国防科大的科研团队在欢呼的同时,暗下决心:我们不但要有自己的北斗导航系统,而且必须建成世界最好的导航系统。

乘胜追击——建设亚太最好的导航系统

1999年5月8日,以美国为首的北约部队依靠GPS投下了五枚精确制导导弹,击中中国驻南联盟大使馆,导致三名记者当场牺牲,数十人受伤。

血的教训、生命的代价,再次给中国敲响了警钟!

2004年,中国启动北斗二号导航系统工程,建设我国航天史上第一个多星组网、星地一体的系统。面对如此复杂的航天系统,在方案论证和系统研制阶段,都迫切需要能够准确仿真系统运行状态的模拟系统,用于系统方案确定、系统联调联试和用户终端检测等。

工欲善其事,必先利其器。此“器”,便是卫星导航信号模拟源。但涉及卫星导航整个系统,代表一个国家卫星导航系统建设和应用产业化的水平,不仅欧美对我们实行技术封锁和产品禁运,而且涉及国防安全和国家秘密,必须自主研制。

国防科大智能科学学院空间仪器工程团队得知相关情况后,决心为北斗工程拿下这个“桥头堡”。

他们研制出的具有完全自主知识产权的模拟源,应用覆盖了北斗导航系统的设计论证、技术研发、测试评估,以及终端研发、入网检测、定型试验、原位测试等全过程,建立了导航终端的国家计量检测体系和装备保障体系,先后保障了150余次星地对接、联调联试和试验验证等任务,为确定技术体制、固化卫星状态、设计星地接口提供了重要支撑。

北斗二号工程总设计师孙家栋亲自主持了产品鉴定会:“这是卫星导航领域的一项重大技术创新,打破了多项国外技术封锁,填补了多项空白。主要性能指标优于国外同类系统,达到了国际领先水平。”

当初对中国求购断然说“NO”的国家,反过来向中国求购这一产品。卫星导航系统模拟源成功走向世界,成为北斗迈向全球、走向世界的重要标志。

2007年底,北斗二号卫星运行到某区域时,突然受到复杂电磁环境干扰,导致卫星通信间歇性中断。这时,卫星发射计划已上报相关国际组织无法更改,距离下颗卫星发射只有三个月时间。如果不在三个月内解决问题,不仅将迟滞整个北斗工程进程,甚至可能使组网发射的数十颗卫星沦为太空垃圾。

王飞雪带领电子科学学院北斗卫星导航科研团队立下军令状:“3个月内,我们一定拿出‘抗体’,只会提前,绝不拖后!”

卫星要求的抗干扰能力很强,但安装抗干扰设备的空间很小,而且功耗要低,专家把这个难题比喻为“把大象装进冰箱”。

在那个冰雪肆虐的冬天,北斗卫星导航科研团队玩命般与时间赛跑。困了就用自来水冲下头,饿了就啃口方便面,吃住都在实验室,大年三十都没有回家。不到3个月,具有强大抗干扰能力的卫星载荷在他们手里横空出世,为北斗卫星铸造出“超强盾牌”。

经测试,北斗卫星复杂干扰抑制能力提高了1000倍,该指标远超原规划目标,为我国第二代卫星导航系统建设顺利推进做出了巨大贡献。

此后,他们又攻克了北斗二号地面运控系统“高精度测量”等技术难题,研制出北斗二号主控站测量与通信系统、时间同步/注入站、RDSS信号收发系统、监测接收机以及载荷地面测试评估系统等地面运控系统主体设备。一举成为北斗二号地面运控系统建设主力军。

“建中国的北斗,走自己的路”已成为国防科大每一个北斗人的共同目标,为了实现这一目标,他们来不及短暂停歇,便踏上新的征程,向着用科技创新推动北斗成为世界最先进的卫星导航系统的远大目标奋力奔跑。

砥砺前行——建成全球领先的导航系统

北斗第三步,当惊世界殊。

2015年3月30日,北斗三号首颗卫星在西昌卫星发射中心成功发射,标志着我国北斗系统由区域运行向全球拓展的启动实施。

美国的GPS全球卫星导航系统,天上有数十颗中圆轨道卫星组成的星座,地上有世界各地的数百上千个地面站组成的“地网”。可中国对在全球布站点却“鞭长莫及”,建不了“地网”。这是北斗导航由区域向全球拓展面临的最大障碍。

“陆路”不通,就走出一条有中国特色、世界唯一的“天路”!在航天器与航天器、航天器与地面站之间架设“天梯”,建立具有数据传输和测距功能的无线链路——星间链路系统!

进入工程阶段后,北斗“两总”决定采用智能科学学院空间仪器工程团队的技术方案(ka星间链路)。

星间链路,把地面工程搬到了天上,工程实现难度也随之翻了几番。

此后几年里,杨俊带领项目组攻克ka星间链路系列核心关键技术,实现了精确测量、组网通信等一系列核心技术指标的跨越,实现了一星通、星星通。

2015年3月31日,北斗三号第一颗试验卫星升空,首次在轨成功实现了Ka星间链路,全面验证了空间仪器工程团队提出的方案充分满足北斗全球卫星导航系统组网需求,如今,Ka星间链路已成功应用于北斗三号全部卫星,首次实现了导航星座的天基组网运行,成为北斗自主创新和领先的重要标志!

加入星间链路的北斗三号全球系统无需全球布站也能互相联系,即便和地面中断联系也能继续提供服务,卫星的生存能力有了保障,但为全球提供服务后,任务量必会大增,如何一一满足?

国防科大系统工程学院卫星任务规划团队提出北斗全球系统业务星地一体化规划与调度框架,解决了北斗全球系统业务多、流程杂、规划难的痛点,同时通过创新任务规划算法,成功解决了北斗全球系统星间、星地、站间等各类业务规划难题,满足了北斗系统运营需求。

在北斗众多科研团队中,有一个唯一星地齐备、技术链完整的团队,他们是北斗三号卫星业务载荷最大研制单位,这就是国防科大电子科学学院北斗卫星导航科研团队。

2018年是北斗三号组网攻坚年,在这场攻坚战中,北斗卫星导航科研团队采取“三边战略”,即边研制、边生产、边交付。各项目交付环环相扣,不允许出现任何失误。核心模块、关键设备、系统机柜,同时投入生产,时频、RD、注入站、验证系统多个战役同时打响。为北京和成都两大主控站研制 RDSS信号收发、时统系统、测通系统等三大系统。北京、三亚等地接收机装站工作全面铺开。该中心人员的足迹西至西藏、北至黑龙江、南达海南、东抵浙江,遍布全国各地。

最终,该团队突破多项重大技术瓶颈,实现了接收机、信号源等装备零故障交付,为北斗三号首批组网卫星发射成功、地面运控初始系统建设作出了重大贡献。

今年新冠疫情发生以来,国防科大北斗团队面对全球组网进度压力,以全军备战标兵单位姿态,冲锋在前,不畏艰险,从2月11日起就分批长期出差,在全国各地开展科研工作,科研人员每人都写下请战书。连续奋战三个多月,终于按计划完成了85项集成联试和故障模拟测试工作,形成了3100多页测试报告,保住了北斗三号地面运控系统开通前试运行的关键节点,为北斗三号全球系统开通服务打下了坚实基础。

北斗梦圆

向攻坚克难的中国科技工作者

致敬!

【湘伴综合,资料来源:国防科大,人民日报等,欢迎转发至朋友圈】

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