中国航天日忆北斗往事：巨人不让站肩上，我便自己当巨人

点击：  作者：李比廉姆    来源：科工力量微信号  发布时间:2024-04-25 12:42:55

 

1991年1月17日，以美国为首的多国部队轰炸巴格达，海湾战争爆发。

 

战前，不少人预言，这会是另一场朝鲜战争，双方将陷入旷日持久的消耗与撕扯。然而仅仅抵抗了42天，号称“世界第三军事强国”的伊拉克便束手就擒，伤亡人数约10万，其中死亡2万。美军则损失不到300人，接近一半还是非战斗性死亡。

 

在尚未完全建成的GPS全球导航定位系统的加持下，美国人碾压性地打出了人类战争史上第一场信息战。

 

配备GPS接收机的美国大兵能够迅速穿越没有任何地形特征的沙漠，让对方的百万机械化部队成为摆设；他们的“战斧”巡航导弹利用GPS精确制导，可以击中1000公里外的目标，实施“外科手术般的打击”……“

 

GPS之父”布拉德福德•帕金森这样说：

 

我所需要的是一种人性化的武器，它能够让我的军队击中所有我想击中的目标，而避开所有我想避开的目标。我们需要连续五次把炸弹扔进同一个洞里。

 

海湾战争之后，建设（或完善）独立自主的卫星导航定位系统，被列入各大国国防安全战略。

 

中国，也不例外。

 

01. 灯塔

 

实际上，我国研制导航卫星，起步并不晚。

 

1965年1月8日，钱学森向国防科委提交《研制卫星打算》报告，明确了导航卫星的功用。

 

由卫星上发出无线电信标，舰艇可以利用信标的多普勒频移来测量自己的位置，是舰艇发射弹道式导弹必须的措施，可以将位置误差降到160米。

 

半年前，美国的子午仪卫星导航系统刚刚交付海军使用，定位精度约100米，这说明钱学森“160米位置误差”的说法有据可依。

 

 

子午仪卫星

 

68年7月9日，国防科委要求尽快验证导航卫星研制方案。经过验证，69年3月13日，工程上马，代号“691”。

 

70年11月，已经担任国防科委副主任的钱学森对导航卫星的技术方案进行审查，并建议将卫星命名为“灯塔一号”。

 

当时，“灯塔”一词颇为流行。在那个特殊的年代，人人都会唱有一首叫《跟着共产党走》的歌。

 

你是灯塔

照耀着黎明前的海洋

你是舵手

掌握着航行的方向

伟大的中国共产党

你就是核心

你就是方向

 

通过十年攻关，到80年6月前，4套星上正样产品制造完成且全部验收合格，只等上火箭发射。

 

然而同年年底，为贯彻“调整，改革，整顿，提高”方针和研制急用实用卫星原则，国防科委发布通知，“灯塔一号”研制任务撤销，卫星完成环境试验后封存，资料归档。

 

改革开放初期，国家集中精力发展经济，导航卫星的民用价值尚未显露，只能忍痛割爱。

 

历时12年建设，中国“灯塔”终究没能在太空点亮。

 

与此同时，脱胎于子午仪卫星导航系统的GPS稳步推进，已经发射了4颗实验卫星，并将于9年后发射首颗工作卫星、13年后组网成功、15年后正式投入运行。

 

GPS实现一次定位功能，需要用到至少四颗卫星，即通过三星交互确认经度、纬度和高度，另外一星专门校正时间误差。

 

到95年投运时，GPS组网卫星数量高达24颗，开发费用约100亿美元，之后还有每年5亿美元的运维支出——这么厚实的家底，中国显然掏不出来。

 

“灯塔”熄灭，经费无着，但暗夜中仍有星火闪烁。

 

1983年，空间系统工程专家陈芳允创造性地提出了“双星定位通信系统”。他把地球看作一个虚拟球体，让它与两颗通信卫星交互，再利用地面中心站的电子高程地图，求解获取用户位置。

 

陈芳允认为，双星定位只启用两颗卫星，大大节约了成本，计算出来的坐标精度却不比GPS差。然而，新设想未能服众，一放就是两年。

 

 

陈芳允

 

85年南京紫金山天文台召开测地会议，陈芳允再次介绍“双星定位通信系统”，终于得到总参测绘局认可。

 

89年9月25日，首次“双星定位通信系统”功能演示在北京进行。演示结果表明，电脑测算的用户地理位置与档案记载相比，误差不到20米，定位精度达到国际先进水平。

 

用不了多久，这项实用高效的新技术就会派上大用场。星星之火，即将燎原。

 

02. 荆棘

 

海湾战争过去两年，被称为“新中国外交三大屈辱事件”之一的“银河号事件”爆发。

 

1993年7月，我国的“银河号”货轮由天津港正常驶往迪拜。当货轮航行至印度洋时，美国人关闭了该区域的GPS信号，致使“银河号”迷航公海33天。

 

美方宣称船上载有用来制造化学武器的原料硫二甘醇和亚硫酰氯，强行要求彻查。但检查结果显示，全船782个货箱均未存放上述违禁品。负责处理此事件的外交部副司长沙祖康一连说了18个“窝囊”：

 

凭良心说，你登上我的船，每走一步都踩在我的心上，我很难受。我没有请你上，我船上也没有那两种化学物品，你凭什么这样糟践我们的声誉？我当时感到受了侮辱，窝囊透了。

 

 

“银河号”回国后合影

 

半年后，一份《关于印发〈双星导航定位系统工程立项报告〉的通知》落地，中国人的导航卫星研制之路正式重启。

 

这一次，项目定名为“北斗一号”。

 

“朝看太阳辨西东，夜望北斗知北南。”千百年来，北斗七星始终被中华民族视作导航星和指极星。按照《史记•天官书》的记载，“分阴阳，建四时，均五行，移节度，定诸纪，皆系于斗。”——也就是说，人们区分昼夜、建立四季、调节五行、转换二十四节气、审定年月日时，都要依靠北斗。

 

名字吉祥如意，但前路遍布荆棘。

 

北斗一号起步阶段，什么都缺。缺技术、缺人才、缺经验，最紧迫的是缺资源，产品过度依赖进口，而且处处碰壁。

 

有一次，卫星总指挥李祖洪带人购买国外的某种产品，款都打完了，对方却以制裁为由拒绝交货，钱也不还，只退回来一堆硬纸板。李祖洪当时暗下决心，一定要搞国产化，绝不能被外国人“卡脖子”。

 

经过艰苦攻关，部分重要元器件实现自制。像影响卫星长期稳定运行的控制分系统三大件——地球敏感器、动量轮和太阳帆板驱动机构，全部研制完成并通过试验验证，中国人自主解决了北斗一号的“眼睛”“腿脚”和“肩关节”问题。

 

2000年10月31日、12月21日，2003年5月25日，北斗一号两颗工作卫星、一颗在轨备份卫星相继发射成功，标志着中国成为继美、俄之后第三个建立完善卫星导航系统的国家。

 

 

2000年10月31日，北斗一号首星发射瞬间

 

北斗一号信号覆盖我国本土，定位精度在20到100米之间，授时精度单向100纳秒。更重要的是，陈芳允当年嵌入“双星定位通信系统”的通讯理念，已经演化出北斗一号独有的短报文功能——使用终端机每次可编写40多字短信发送到指定设备上。

 

08年汶川特大地震发生后，灾区基建全部损毁，四川武警总队正是通过北斗一号终端机，向外界发出了第一批救援信息：

 

我支队已于11时以摩托化向成都方向机动。

美英法等国游客被困卧龙，人员安全。

卧龙特区请求空投帐篷和药品。

……

 

北斗一号解决了我国自主卫星导航的有无问题，但它覆盖范围小，只能提供基本的定位和授时功能。最致命的是，北斗一号属于有源定位系统，用户需要主动向卫星发送请求才能获取定位，这既限制了用户容量，又极易暴露用户位置。

 

要想追赶甚至超越GPS，北斗还有很长的路要走。

 

03. 协议

 

北斗一号建成以后，下面的路该怎么走，专家们产生了分歧。

 

有人提议直接全球组网，给导弹装上“眼睛”，巩固国防。当时科研经费、技术基础、人才队伍各方面还不够完善，而且我们也没法像美国那样满世界圈地建基站，卫星飞到西半球很难把控。

 

另外一些人则倡导分步走，先把服务范围扩展至亚太地区。但这种办法没有先例，首创同样面临风险。

 

两拨人争论了一年，最后听从小平同志的“不争论”——“一争论就复杂了，把时间都争掉了，什么也干不成。”——决定走“先区域、后全球”的路子，也就是建立“北斗二号”。

 

与北斗一号的卫星只绕着赤道飞不同，北斗二号是混合星座设计，卫星分三个轨道跑。轨道变复杂了，对信号频率的要求自然也会更高。

 

 

北斗二号混合星座（静止轨道+倾斜地球轨道+中圆地球轨道）

 

太空中的频率资源非常有限，80%的黄金导航频段已被美、俄瓜分，剩下的最后一小段由世界各国公平竞争。国际电信联盟规定，谁申请7年内成功发射导航卫星并接收到传回信号，谁就有资格占用。

 

2000年4月17日，中国正式提出申请。49天后，欧盟提出同一申请——为摆脱对GPS的依赖，欧洲人决心建造自己的伽利略卫星导航系统。

 

同年，欧盟副主席德帕拉西奥访华，释放合作信号，得到朱总理的肯定。04年双方正式签署协议，中方承诺向“伽利略”投资2.3亿欧元，首付款7000万很快到账。然而仅仅过去一年，欧洲航天局便与美国修好，开始排挤中国，拿走决策权，甚至拒绝技术交流。

 

巨额投入打了水漂，中欧已无继续联盟的可能。要想不受制于人，北斗二号必须完成自研，如期发射。

 

按照原计划，试验卫星的发射最早也要排到07年年底，根本赶不上4月17日的截止期限，全体科研人员只能没日没夜地赶进度。

 

北斗二号总设计师谢军曾三次晕倒在测试现场，醒来永远先问“卫星没事吧”。用他的话说，”我们是以跑百米的速度在跑马拉松。“

 

作为导航卫星的“心脏”，原子钟掌控着时间和位置精度，研发难度极大。单一个长期频率稳定度测试，就要连做17天，桌子稍微晃一下都得重来。实验室要求24小时值守，节假日无休是常态。有的小朋友埋怨父母“下班不回家，说话不算数”：

 

你们做时钟的人，怎么那么不守时呢？

 

正是这群“不守时”的人，按时造出了具备完全自主知识产权的、满足“北斗”工程要求的星载原子铷钟，其稳定度达到10-14量级，相当于300万年才有1秒钟误差。

 

 

国产星载原子铷钟研制成功

 

07年4月初，北斗二号飞行试验星运抵西昌卫星发射中心，与火箭顺利对接，进入健康状态检查。

 

这时，问题出现了。

 

04. 信号

 

在进行第三次总检查时，卫星应答机报告异常，里面一个振荡器工作临界，时灵时不灵。

 

应答机负责接收地面信号并作出星上反馈，一旦发生故障将导致天地失联。尽管深度测试表明，发生故障的概率很低，但北斗人有句话叫“10000减1等于0”，绝不允许带着问题上天。

 

拆整流罩、拧螺栓、开舱板……应答机安全卸下后，被立即送往成都检修。当时西昌没有直飞成都的航班，只能用汽车运。四五个小时的路程，科研人员担心颠簸受损，始终把机器抱在怀里。

 

4月6日，故障排除，应答机重新装回卫星舱；8日，第三次总检查通过；14日4时11分，北斗二号飞行试验星成功发射。

 

 

发射升空瞬间

 

然而，新的问题又来了。

 

此时，距离4月17日的7年申报有效期还剩下3天。但卫星入轨后，按规定要在真空环境下暴露5天才能启动设备，否则可能引发微波信号大功率微放电，致使卫星报废。16日20时14分，卫星总设计师谢军下令“加电开机”。21时46分，地面接收机收到卫星播发的B1导航信号，21时54分B2信号、22时03分B3信号陆续出现。

 

在只比最后期限提前不到2个小时的时候，“北斗”终于拿下了这场与“伽利略”的太空频段之争。

 

事实上，“伽利略”05年12月已经发射了首颗试验卫星，却因为资金链断裂没能开通使用，就此错失先机。

 

2015年1月，中欧再次携手，实现“北斗”与“伽利略”的频率资源共用。不过这次，除非中国同意，否则“伽利略”常规公共服务信号将无法用于军事目的。

 

 

15年1月12日至16日，北斗与伽利略卫星导航系统第四次频率磋商会谈举行

 

相比于北斗一号，北斗二号进行了全方位的优化，最大的区别便是改有源系统为无源，用户不用主动向上发送请求，只需接收卫星广播下来的信号，就可以完成定位，既隐蔽了位置信息，又解除了数量限制。

 

09年至12年10月底，北斗二号连续成功发射16颗卫星，实现组网部署。12年12月27日，北斗二号正式向亚太地区提供免费服务。截止到19年5月18日，又有四颗备份卫星升空，保证系统连续、稳定运行。

 

北斗二号卫星系统总设计师、总指挥杨慧说：

 

尽我所能，倾我所有，是北斗导航向世界许下的庄严承诺，奉献是“北斗”的追求，也是“北斗”的义务。

 

当年的路线争论以“先区域、后全球”定调，集中力量造北斗二号。但与此同时，有一小拨人被单独拿出来，直接探索全球组网。

 

2009年，北斗二号蓬勃发展之际，北斗三号悄然立项。奋斗目标正式确立为：

 

中国的北斗，世界的北斗，一流的北斗。

 

世界的，说明要解决“卫星飞到西半球很难把控”的问题；一流的，则意味着完成关键器件100%国产化。

 

两块硬骨头，哪块也不好啃。

 

05. 大厦

 

GPS信号之所以覆盖世界各地，靠的是遍布全球的地面基站随时捕获和跟踪卫星信号，进而向用户终端提供导航定位服务。

 

因为意识形态的差异，中国不可能去欧美建站。也就是说，“北斗”飞过西半球，发射下来的信号没有地面基站接收，更无法触达用户终端——GPS的全球组网模式，我们照搬不了。

 

地上的路行不通，那天上的呢？

 

经过近5年科研攻关，北斗团队首创“星间链路”技术。所谓星间链路，简单理解，好比是给卫星拉了个天上的“微信群”，让它们信息共享。这样一来，国内地面基站就能通过最近的“星”连上最远的“星”，实现“一星通，星星通”。

 

星间链路还支持精确测定任意两颗卫星之间的距离，7万公里的测距精度达到厘米级，相当于几十公里外看清一根头发丝。

 

 

星间链路仿真图

 

锐意创新的同时，国产化进程也在加速。

 

星间链路拉了“微信群”让卫星们“聊天”，但谁跟谁聊？怎么聊？聊不聊得到一块儿去？CPU是关键。我们以前用欧洲的芯片，不仅寄人篱下，其性能也跟不上新需求。

 

当时，北斗三号卫星系统总设计师林宝军问“龙芯之父”胡伟武，能不能用龙芯？胡伟武说，性能完全达标，但我这东西没上过天，搞卫星的人一听都不敢用。林宝军心想，没上过天就没人敢用，没人敢用更上不了天，这是个死结，不如我来做第一个吃螃蟹的人。

 

 

胡伟武手持北斗三号首发星使用的龙芯三号

 

2015年3月30日，搭载着龙芯的北斗三号首颗试验卫星发射成功，中国“星”终于换上了中国“芯”。

 

林宝军后来用“有担当、真创新、谋跨越”来总结国产化这件事：

 

不能以提高卫星的可靠性为理由，不敢用中国人的东西。用国外的有什么好处呢？对外来讲，如果卫星出事了，用的已经是全世界最好的东西，可以给自己找借口。我告诉我的团队，不要给自己找借口，不要想出事以后怎么办，我们要一门心思建好，建到最好。最重要的还是担当的问题。

 

2017年11月至2020年6月，31个月的时间，我国以月均超过一颗星的速度，成功发射30颗北斗三号组网星和两颗北斗二号备份星。

 

2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，中国北斗从此走上服务全世界、造福全人类的新征程。

 

北斗三号攻克160多项世界级技术难题，自主研制500多种核心器部件，单机和关键元器件实现100%国产化，真正做到了“不能把我们的大厦建立在别人的地基上”。

 

2020年4月，国际全球导航卫星系统服务组织（IGS）对美、俄、欧、中四大导航系统的运行结果做过一次为期两个月的评估。结果显示，GPS与北斗处于领先地位，而在时频、信号、空间精度方面，北斗已经全面超越GPS。

 

连美国军方当时都建议，除了装上GPS，还应当以“北斗”为备份，万一GPS出问题，可以拿“北斗”托底。

 

06. 地面

 

北斗卫星导航系统工程首任总设计师，是“两弹一星”元勋、被誉为“中国航天大总师”的孙家栋院士。他对北斗系统有个著名的“八字期许”：

 

天上好用，地上用好。

 

作为国之重器，“北斗”不但要刺破苍穹，更要飞入寻常百姓家。

 

以前我们用App叫车，师傅说人到了，你找半天发现车在对面停着。这是因为GPS10米左右的定位精度，分不清车道的同侧与对侧。如今，北斗三号已经做到5米以内，不仅知道车停在哪一侧，甚至清楚车开在主路还是辅路上。

 

至于旅游大巴、危险化学品货运等“两客一危”车辆，现在不装“北斗”根本不让上路。这类车辆最怕疲劳驾驶，“北斗”通过实时监测，能找出连续开了六个小时以上的司机，强制其休息半小时再出发。

 

连西北农民种土豆，都要用“北斗”。他们花3万元装一个北斗接收器，让拖拉机按照预设路线自动驾驶、精确作业，严防土豆种歪种坏，跑1000米误差不到5厘米。粗算下来，一亩地每年可增收500斤，等于多挣15万块钱。

 

 

北斗卫星助力智慧农业

 

北斗系统独有的短报文功能，则发挥着绝处逢生的关键作用。

 

比如有人在沙漠中遇险，手机没信号打不通，他就可以直接发北斗短报文求救。卫星会把附带坐标的信息传给地面救援中心，再把确认营救的信息传回呼救者。

 

随着华为P60等手机植入北斗双向短报文功能，普通消费者无需额外购买昂贵的专用终端机，也能享受这份“一生用一次，一次续一生”的安全保障。

 

而且，北斗三代短报文支持编辑1000多个汉字，还允许发图片——写小作文或者只拍照随便你，比北斗一代的40个字、北斗二代的120个字强大太多。

 

 

北斗短报文求救信息

 

2014年，孙家栋从待了20年的北斗总设计师的位置上退下来，不再主动过问卫星研制进展，“天上的事我不干预了，我去搞地面的事。”

 

他全国到处跑，跟企业家谈，告诉对方“北斗”能办成很多事。共享单车兴起那阵子，北京几家公司有的用GPS，有的用“北斗”。他每次去都说“还是用北斗好”，完了又念叨：

 

再进一步考虑，“北斗”的可用之处就多了。运危险品的汽车开到哪了？接送孩子的校车开到哪了？淘气的孩子跑到哪了？走失的老人走到哪了？如果车上装一个、老人孩子手上戴一个，“北斗”就都能帮到你了。

 

07. 名剑

 

2020年7月，中央提出新时代北斗精神，主要内涵是“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”。

 

7月31日，北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式隆重举行。在明亮的人民大会堂东大厅，北斗三号系统卫星总设计师林宝军有幸亲历这一光荣时刻。

 

回去的路上，他用新时代北斗精神作了一首藏头诗：

 

自主铸就北斗星，创新擘画玉汝成；

开放彰显乾宇志，融合时空谋共赢。

万众抗疫同舟济，一心相异退群声；

追求普惠华夏愿，卓越湛卢献和平。

 

相传中国古代有十大名剑，湛卢排名第二，仅次于象征着华夏民族的轩辕，也是唯一一把无坚不摧却不带丝毫杀气的仁者之剑。

 

林宝军说，他把“北斗”比作湛卢，因为中国人建“北斗”是为了造福全人类，而不是称霸全球。

 

曾经，巨人不让我们站在肩膀上，我们努力成为巨人。今天，巨人伫立东方，向世界敞开了怀抱。

 

部分参考资料：

[1] 马京生：《陈芳允传》

[2] 赵小津：《精神的力量：航天精神引领中华民族探索浩瀚宇宙》

[3] 吴铁稳：2008年6月，党史文苑《沙祖康与“银河号”事件》

[4] 郑心仪：2017年6月，环球人物《孙家栋，一生只为大国重器》

[5] 董纯蕾：2020年7月，新民晚报《总设计师林宝军：让用户打心底相信北斗》

[6] 代睿：2022年9月，封面新闻《中国“北斗”37年征途：从一张白纸到世界一流导航系统》

[7] 陈忠贵、徐颖：2007年3月，《透视新科技 ：走向世界的中国北斗》

 

文章来源于狂飙狗娃 ，作者李比廉姆