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比“大炮打蚊子”还要精确万倍 这个团队日夜颠倒只为追“星”

2020-08-04 19:41:51 来源: 非洲时报 阅读 (10841次)

科技生态圈

日夜颠倒,只为追“星”

——北斗全球组网过程中的二三事

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北斗卫星部分研制人员合影。

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北斗卫星研制现场。中国航天科技集团五院供图

曾经为世界贡献过四大发明、推动人类文明车轮滚滚向前的中国,在21世纪第二个10年,又一次贡献出中国智慧。

今年7月31日,中国北斗全球卫星导航系统迎来正式开通服务的历史时刻。北斗导航信号在时空传播开来,全球民众有了“中国北斗”的导引和陪伴。今天,我们一起走近创造北斗卫星奇迹的幕后科研团队代表。

6月初,北斗三号卫星飞控团队再赴西安卫星测控中心,开展最后一颗组网星的飞控任务。变轨完成后,飞控队员在连续数天的日夜颠倒后面临新的挑战,每12小时进行一次定点捕获。6月30日,北斗全球组网最后一颗星成功定点。

如果说北斗全球卫星导航系统的建设是一次历时数年的持久战,飞控任务便是此次持久战的最后冲刺。从太阳翼完美亮相,到卫星的数次精准变轨,再到高精度定点捕获,科技团队的努力一次次彰显了中国北斗精神。用他们的话说,日夜颠倒,只为追“星”。

比“大炮打蚊子”还要精确万倍

北斗三号某星间链路相控阵天线,是我国北斗星座星间链路的核心设备,被称为太空中的“高精度标尺”。

中国航天科技集团五院总体部专家告诉记者,在距离地球2.4万公里的太空中,导航星座上装备的某相控阵天线实现精确的“握手”,在进行信息交互的同时,可以精密测量出对方的位置精度,保障导航星座的精确在轨自主运行。

在太空中,北斗三号卫星之间的距离最远达到了7万公里,天线通过精确的相位中心稳定性设计和链路设计,可以将测量误差保证在分米级,这个精度相比于“大炮打蚊子”还要精确万倍。设计团队要通过一系列方法,保证这把“高精度尺子”能在北斗三号全寿命周期内不发生变化。

专家透露,某相控阵天线的元器件数量是我国卫星单机里数量最多的,甚至超过了一颗传统卫星元器件数量的一半,其复杂程度可见一斑。而这些元器件,大部分都是高端的某半导体器件,牵引了国产自主设计能力,此次所采用的元器件均为国产自主可控,打破了长久以来该领域被欧美制约的瓶颈。

全力开通“城际高速路”

如果把30颗北斗全球组网卫星看作30个空中城市,传统模式下,地面城市与每个空中城市之间建立星地廊道,监控城市运行管理状态。

不过,五院专家告诉记者,北斗三号首先在空中城市之间设计了城际公路,又在主要的空中城市之间建立高速公路,最后在轨道最高、体量最大的卫星上,架设了通往地面城市的高速公路。这中间,凝聚着北斗星间网络团队的智慧。

2012年北斗三号启动研制时,设计团队手上没有任何可供参考的案例。设计师们在大量研究空间数据系统和传统卫星通信知识的基础上,分析地面网络成果和卫星设计的特点,获得效率最高、应用最灵活的方案。

五院专家告诉记者,与地面直接将计算机连接网线就可接入网络不同,不同高度、不同相位的卫星之间的可见关系存在变化,而北斗三号利用相控阵天线建立起来的星间链路,每分钟要“扫过”20个卫星或地面站目标,变化频率更快。

“就像在自习室传纸条一样,当收到另一个伙伴传来的纸条时,科技人员要将纸条保存起来,再选择最恰当的时机传送出去,直到到达目标。”五院北斗卫星研制专家说。

卫星传的纸条更加复杂,还要区分遥控、遥测、运控、报文等业务的优先级,在一大堆纸条中找到最重要的、最紧迫的、路径最合适的先发出去,还要考虑“负责中转纸条的同学桌屉是不是已经满了”。

成功来得太不容易

当然,在整个北斗卫星研制发射过程中,科研团队也经历过不少风风雨雨。

五院一位北斗卫星研制专家告诉记者,2012年初,由于一个技术问题,某颗整星构型“翻车”了,大家一夜无眠。以经验丰富、沉稳老练著称的一位设计人员被紧急召回北京,立即从北斗二号转入北斗三号,加入了新方案的论证团队。

用“时间紧、任务重”来描述这次“挽救行动”再合适不过。这是一次真正的“封闭式高效集同”,所有人员都驻守在北京某地。整整一个月,新方案终于满足了运载要求。

2015年,北斗三号即将发射试验卫星,其成功与否直接影响着后续组网任务能否顺利进行。为了赶上“发射窗口”,研制团队绞尽脑汁,使出浑身解数,24小时两班作业……他们只有一个念头——“必须按时出厂!”

在亮如白昼的大厅里,他们已然分不清是深夜还是白天,困了就出去洗个脸精神一下,累了就在现场稍微休息一会儿,“天线顺利展开、转动指令正确”……每一个节点任务的顺利完成,都会给在场的人打上一支“强心剂”。

然而,喜悦没能维持多久,10月的一天,天线在轨出现问题,多年的心血,就这样付之东流了?“导航人的字典里,没有‘认输’二字,即使面对史无前例的难题,也要放手一搏!”五院一位专家说。

2015年12月25日,在整个团队的努力下,北斗人创造了中国航天史上的一个奇迹——天线在轨问题圆满解决,工作正常!那个夜晚,整个团队沸腾了,“成功来得太不容易!”

北斗“前路还长”

今年7月31日,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隆重举行,北斗一号卫星总指挥李祖洪在现场见证了这一历史性时刻。

开通仪式后,他向记者连说了3个“非常”:“能参加活动并见证北斗三号全球卫星导航系统建成开通的历史性时刻,我感到非常荣幸、非常高兴、非常激动!”

他告诉记者,此次开通仪式是对北斗工程参研参试人员的极大鼓舞,是对北斗团队几十年来千辛万苦、拼搏奋进的最高肯定。李祖洪说,北斗三号全球卫星导航系统建成开通是中国北斗卫星导航系统建设“三步走”的里程碑式事件,并不是指北斗导航工程的完结。

“可以说前路还长,远处青山无数,意味着我们肩上的担子更重了、要求更高了。”李祖洪说,要把“中国的北斗,世界的北斗,一流的北斗”发展理念发扬光大、落到实处,关键是要解决好北斗卫星导航系统好用、用好的问题。

北斗三号卫星首席总设计师谢军在激动、振奋的同时,也有了新的责任和压力。

担任北斗卫星总设计师16年来,谢军深感从事这项国家重大工程无上光荣,使命和责任并存。他说:“我深深知道北斗卫星导航系统这项重大工程对国家安全、国民经济、社会发展和大众生活具有非常重要的意义。”

他告诉记者,北斗三号全球卫星导航系统开通服务,对于北斗系统设计和建设者来说,是一个新的起点,是一个更高的要求。“做好卫星在轨的运行管理与技术支持工作,保证卫星12年工作寿命,确保北斗系统,特别是北斗卫星以其安全稳定的运行、连续可靠的信号、多样优异的服务接受考验”。