【紀實】北斗人的路：不靠外人！8萬人干了20多年

中國北斗，是繼“兩彈一星”之后的又一戰(zhàn)略工程。豪情萬丈的北斗人，用較短時間即形成覆蓋亞太地區(qū)的區(qū)域服務(wù)能力。2017年下半年起，北斗系統(tǒng)開啟全球組網(wǎng)大幕，預(yù)計年內(nèi)將發(fā)射6顆左右衛(wèi)星，2020年前將完成30顆衛(wèi)星發(fā)射，形成全球運行服務(wù)能力。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是大國強國的“標準配置”，也是核心利益所在。作為我國空間信息基礎(chǔ)設(shè)施、國家戰(zhàn)略設(shè)施，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使我國擺脫了對國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴，掌握了時空基準控制權(quán)、國際規(guī)則制定話語權(quán)，為國家安全和現(xiàn)代國防提供了戰(zhàn)略保障。

11月5日，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，“北斗三號”第一、二顆衛(wèi)星以“一箭雙星”的方式發(fā)射升空，標志著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)正式拉開全球組網(wǎng)序幕。

朝受命，夕飲冰

——“我們不能生活在某一天因為某種理由GPS可能關(guān)閉的危險之下”

從古至今，人類一直在孜孜追求導(dǎo)航的技術(shù)。從早期的司南定向，到航海時代的星盤、六分儀、航海鐘，再到現(xiàn)代無線電導(dǎo)航，直至近幾十年，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，尤其是航天技術(shù)的發(fā)展，人類進入到衛(wèi)星導(dǎo)航的時代。

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡稱為GNSS系統(tǒng)，在全球GNSS俱樂部中一共有4位VIP會員：美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)、歐盟的“伽利略”系統(tǒng)以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

GPS系統(tǒng)是最早建成并投入使用的。當GPS在歐洲開始推廣應(yīng)用時，歐洲空間局敏銳地意識到：“我們不能生活在某一天因為某種理由GPS可能關(guān)閉的危險之下。”由此，歐洲開始了建設(shè)“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的漫漫征途。

的確，在涉及國家安全核心部位、核心數(shù)據(jù)、核心技術(shù)上，絕不會天上掉餡餅，尤其衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，不管是軍用、民用，不管是發(fā)展經(jīng)濟、還是維護國家安全，導(dǎo)航系統(tǒng)未來都具有越來越大的作用。

法國前總統(tǒng)希拉克曾感慨地說：“沒有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，歐洲將不可避免地成美國的附庸?！睔W洲都不能幸免，其他國家就將是玩偶。只是建設(shè)這樣一個龐大的系統(tǒng)，技術(shù)和資金如同太行、王屋兩座大山，不是誰想搬走就能搬走的。

但中國必須得搬走。不是因為我們有“愚公”，而是因為作為一個大國，我們必須把命運掌握在自己的手里。

追趕世界高科技前沿，中國的起步其實并不晚。上世紀60年代，美國專為軍隊研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)投入使用，這個系統(tǒng)就是GPS全球定位系統(tǒng)的前身，雖然在定位精度方面不盡如人意，但驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性。幾乎同一時段，中國開始了自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計，取名為“燈塔”。但是由于國家財力等原因工程擱淺。

1983年，“兩彈一星”元勛陳芳允提出了雙星定位設(shè)計方案。這在當時是公認的最優(yōu)方案，科研人員開始積極立項論證，但因種種原因又擱置下來。

1991年爆發(fā)的海灣戰(zhàn)爭把中國人警醒了，美軍的GPS在作戰(zhàn)中應(yīng)用非常成功。高層領(lǐng)導(dǎo)深刻意識到以后打仗沒這東西是真的不行，雙星定位方案啟動。

1994年，美國完成GPS系統(tǒng)24顆衛(wèi)星全部星座布局。這一年，黨中央、國務(wù)院、中央軍委作出獨立自主研制北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重大戰(zhàn)略決策?！俺苊?，夕飲冰；晝無為，夜難寐?！币鈿怙L發(fā)的北斗人，從四面八方匯聚在一起，朝著一個共同的目標奮勇攀登。

 基于我國國情，北斗建設(shè)者創(chuàng)造性提出“先區(qū)域、后全球，先有源、后無源”的建設(shè)思路，按照“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略推進，先建立雙星定位試驗系統(tǒng)，形成區(qū)域有源定位與導(dǎo)航服務(wù)能力；然后完成3種軌道10余顆衛(wèi)星的發(fā)射，建成區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，形成區(qū)域無源服務(wù)能力，向亞太地區(qū)提供定位、導(dǎo)航、授時，以及短報文通信服務(wù)；最后建成由3顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成、覆蓋全球的北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，形成全球無源服務(wù)能力。

300多次艱苦談判

——“頻率是國家戰(zhàn)略資源，要像捍衛(wèi)國土一樣捍衛(wèi)頻率資源”

1994年，52歲的譚述森離開奮斗29載、功績顯赫的軍事測繪戰(zhàn)線，投身這項巨大的工程建設(shè)中。

擺在譚述森等科技人員面前的，是尚未起跑就已落后20多年的現(xiàn)狀，以及還不夠雄厚的經(jīng)濟實力、技術(shù)基礎(chǔ)和人才的匱乏……

“在接受這項工作的時候，我就很清楚，‘北斗’的研發(fā)工作只能成功，不能失敗。盡管技術(shù)儲備薄弱，但我們必須要迎難而上?！闭窃谶@樣的條件下，譚述森和他的團隊一起，開始了這項國家戰(zhàn)略工程的起跑。對于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)來說，導(dǎo)航頻率資源是它的“生命線”，如同土地之于大樹，沒有頻率，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)無地“扎根”。

在衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)初始階段，頻率資源相對比較充沛，建設(shè)時間較早的GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)不存在頻率資源的沖突問題。到了北斗系統(tǒng)和“伽利略”系統(tǒng)建設(shè)的時候，頻率爭奪戰(zhàn)就非常明顯了。

而當時“伽利略”系統(tǒng)提前申請了頻率資源，并發(fā)射衛(wèi)星占領(lǐng)了軌位。盡管后來歐洲出現(xiàn)經(jīng)濟危機，“伽利略”系統(tǒng)資金鏈斷了，但根據(jù)國際電信聯(lián)盟“先占先得”的規(guī)定，哪一個國家能夠先把這顆衛(wèi)星發(fā)射上去，并且衛(wèi)星向下發(fā)射這個頻率的信號，以后這個頻率資源就是他的了。這就不可避免地遇到了衛(wèi)星軌道和頻率爭奪的問題。

北斗系統(tǒng)尚未開始研發(fā)，發(fā)達國家就已經(jīng)將衛(wèi)星導(dǎo)航頻率瓜分得所剩無幾。爭奪頻率資源是北斗系統(tǒng)建設(shè)面臨的第一座大山?！邦l率是國家戰(zhàn)略資源，要像捍衛(wèi)國土一樣捍衛(wèi)頻率資源?！弊T述森心急如焚。

作為北斗頻率設(shè)計與國際協(xié)調(diào)首席專家，譚述森以和平利用太空為依據(jù)，經(jīng)過復(fù)雜的頻率設(shè)計與周密的干擾仿真計算，創(chuàng)造性地提出了衛(wèi)星導(dǎo)航頻譜共用與兼容性評估準則。經(jīng)過與幾十個國家300多次艱苦的談判，“北斗”終于爭取到了系統(tǒng)發(fā)展所必需的寶貴頻率資源。

2007年4月17日，是北斗系統(tǒng)申報的頻率資源的最后期限，要求北斗試驗星必須提前發(fā)射。

衛(wèi)星發(fā)射通常只有延遲，沒有提前。為了爭奪這個戰(zhàn)略資源，經(jīng)過各個部門的通力協(xié)作，截至4月14日長征三號甲火箭完成所有準備工作，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心豎起等待發(fā)射。然而4月14日凌晨4點07分，現(xiàn)場又發(fā)現(xiàn)新的問題，火箭有一個連接器沒有按照規(guī)定脫落，如果三分鐘內(nèi)不能解決這個問題的話，對火箭、衛(wèi)星甚至發(fā)射場都會是滅頂之災(zāi)。

當時的發(fā)射指揮員在一分鐘內(nèi)下了7道指令，4點07分發(fā)現(xiàn)的問題，4點11分的時候，火箭帶著北斗試驗星成功升空。

4月14日發(fā)射北斗試驗星，4月15日衛(wèi)星實現(xiàn)變軌，4月16日衛(wèi)星開始向下發(fā)送信號，在距離4月17日北斗申請的頻率資源失效前24個小時內(nèi)，中國正式啟用了北斗申報的頻率資源，標志著我國自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進入新的發(fā)展建設(shè)階段。

攻克核心技術(shù)

 ——“3個月內(nèi)，我們一定拿出‘抗體’！”

與頭發(fā)花白的譚述森相比，王飛雪實在太年輕。1994年北斗全面啟動時，王飛雪23歲，正在國防科技大學(xué)攻讀精確制導(dǎo)專業(yè)的研究生。

第二年，北斗系統(tǒng)建設(shè)遇到一個瓶頸問題——信號快速捕獲。從海灣戰(zhàn)爭就已密切關(guān)注國際定位導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展的王飛雪，在一次調(diào)研中知道此事，當晚徹夜未眠。他把以前掌握的資料和實驗數(shù)據(jù)研究對比，另辟蹊徑，從數(shù)學(xué)理論上尋找解決辦法。

連續(xù)熬了幾個通宵，反復(fù)推理論證，王飛雪提出了一個新的算法。當他紅著眼睛把方案擺到時任系主任莊釗文的案頭時，莊教授眼睛一亮。

這套“全數(shù)字化快速捕獲信號與接收技術(shù)方案”，得到了陳芳允院士的高度關(guān)注，專門組織專家開會論證。

自此，王飛雪正式踏上北斗導(dǎo)航定位的逐夢之旅。他和同學(xué)雍少為、歐鋼，在一個不到10平方米的倉庫里，用東挪西湊的儀器設(shè)備做實驗，經(jīng)過3年不懈拼搏，難題成功破解。當顯示器上脈沖閃耀，信號捕捉成功的一刻，業(yè)內(nèi)20多位專家簡直不敢相信自己的眼睛。

2006年，國家準備對北斗一號導(dǎo)航系統(tǒng)體制進行升級。當時，北斗一號已成功運行多年，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，大家一致主張，繼續(xù)沿用原來的技術(shù)指標和基本參數(shù)，只需適當增強入站鏈路抗干擾能力、提升系統(tǒng)在某些特殊場合的穩(wěn)健性即可。

在王飛雪眼里，這是一次北斗一號服務(wù)性能全面升級的絕佳機會。連續(xù)數(shù)十個晚上的挑燈夜戰(zhàn)，王飛雪和團隊大膽提出了一套最新的編碼理論改造應(yīng)用方案。經(jīng)過論證后應(yīng)用到北斗二號上，帶動了整個北斗短消息服務(wù)系統(tǒng)效能的躍升：所有的終端設(shè)備功耗降低一半，抗干擾性能提升一倍，各項參數(shù)達到最優(yōu)值。

2007年底，北斗二號試驗星進入亞洲某一區(qū)域時，受復(fù)雜電磁干擾與地面失去聯(lián)系。失去聯(lián)系就意味著喪失功能、前功盡棄。如果這一難題不能解決，不但下一顆星不能發(fā)射，即將組網(wǎng)的十數(shù)顆衛(wèi)星發(fā)射將無限期推遲。

王飛雪再次請戰(zhàn)?！?個月內(nèi)，我們一定拿出‘抗體’！”憑借著頑強的意志與驚人的戰(zhàn)斗力，他和團隊拿出了具有強大抗干擾能力的衛(wèi)星載荷，使衛(wèi)星抗干擾能力提升1000倍，避免了國家巨額損失。

結(jié)緣北斗的20多年，王飛雪和團隊先后研制出世界領(lǐng)先的監(jiān)測接收機、精密測距碼模塊及注入系統(tǒng)、主控站測量及通信系統(tǒng)、時間同步注入站、星載上行測距終端等，攻克了一系列北斗系統(tǒng)核心關(guān)鍵技術(shù)。

砍掉掐住北斗脖子的手

——“三天三夜不合眼，那種上眼皮如同墜了鉛的感覺大家一開始很不適應(yīng)，有了第二回、第三回后大家都習以為常了。”

衛(wèi)星導(dǎo)航的原理，簡單來說，就是衛(wèi)星對地面發(fā)送含有時間基準和位置基準的導(dǎo)航定位信息，用戶接收機接收信號。因此精確的時間基準和位置基準，就成了導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵。星載原子鐘為衛(wèi)星提供高穩(wěn)定的時間基準信號，正是由于它的極端重要性，有人將其比作是導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。

要建設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，首先得有星載原子鐘?？涩F(xiàn)實卻很殘酷，在建設(shè)北斗之前我國原子鐘技術(shù)非常薄弱，原子鐘產(chǎn)品全靠進口。進口鐘不僅價格昂貴，而且關(guān)鍵技術(shù)掌握在別人手里，將使北斗系統(tǒng)潛伏巨大安全隱患。能否突破原子鐘技術(shù)關(guān)乎北斗系統(tǒng)建設(shè)成敗。

原子鐘工作原理涉及量子力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)等學(xué)科，指標要求相當苛刻。中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、航天科技集團空間技術(shù)研究院、航天科工集團二院203所等單位對星載銣原子鐘一系列關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)。北斗系統(tǒng)總師、“兩彈一星”元勛孫家棟多次深入科研一線指導(dǎo)，他堅定地說：“我們自己的導(dǎo)航衛(wèi)星一定要用我們自己研制的原子鐘！”

攻關(guān)難度大，挑戰(zhàn)異常艱巨。這是一項非?！鞍救恕钡墓ぷ?，為了保證24小時不間斷地測試，科研人員經(jīng)常是白天調(diào)試，晚上盯在測試儀器前，觀察數(shù)據(jù)，一測就是一整夜。在日夜兼程進行調(diào)試的階段，大家就像上了發(fā)條的“鐘”一樣連軸轉(zhuǎn)。人的精力是有限的，但拼搏精神可以創(chuàng)造無限，“三天三夜不合眼，那種上眼皮如同墜了鉛的感覺大家一開始很不適應(yīng)，有了第二回、第三回后大家都習以為常了?！?/p>

為了搞定微波信號溫度系數(shù)、伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術(shù)難題，團隊“白+黑”進行實驗、驗證；環(huán)境試驗時，團隊成員多班倒，日夜守護和記錄數(shù)據(jù)。大家都有過這樣的經(jīng)歷，做夢經(jīng)常會夢到原子鐘聯(lián)調(diào)的情景：如何接線、如何搭電路、示波器上如何顯示，如同真實的工作場景一般。有時，技術(shù)人員一覺醒來，立馬翻身下了在辦公室里的行軍床，趕緊將夢中的情境記錄下來，驗證、調(diào)試，困擾多日的問題竟然解決了。

在項目攻關(guān)階段，微波穩(wěn)定性一調(diào)就是十幾天，不停地仿真、試驗論證、做溫度試驗，整個過程需要特別精細，不能容忍任何瑕疵。銣原子鐘性能指標已經(jīng)接近了極限，想再提高一點非常困難。他們將計算機仿真參數(shù)拿到電路系統(tǒng)上，看調(diào)試結(jié)果與仿真結(jié)果是否能達到預(yù)期效果，并在溫度變化范圍內(nèi)鑒定穩(wěn)定性，通過一遍又一遍摸索不斷精益求精。

為了保障更多的工作時間，兩任項目負責人李春景和楊同敏，都是從剛剛?cè)胱〉膶挸髁恋男录?，搬到單位附近的筒子樓，家人埋怨，他們頂住壓力，坦然說道：“住得近方便，反正我經(jīng)常加班，房子夠她們娘倆住得了。”

2005年，203所交付了我國首批兩臺星載銣原子鐘工程化初樣鑒定機，標志著我國原子鐘自主化邁出一大步。2007年我國自主研制的星載銣原子鐘上天服役。

科技創(chuàng)新永無止境，奮斗拼搏永不停步?？蒲腥藛T向更高的科技高峰不斷攀登，讓北斗成為世界上最精最準最穩(wěn)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)——15年的堅守與執(zhí)著，他們?yōu)楸倍废到y(tǒng)交付的13個批次26臺自主研制的原子鐘，創(chuàng)造了所有批次零故障的運行紀錄，實現(xiàn)了衛(wèi)星關(guān)鍵部件的自主可控。

不靠任何外人，掐住北斗脖子的手被砍掉了！目前，我國已完全掌握了星載原子鐘的研制技術(shù)，并達到了世界一流水平，擺脫了國外導(dǎo)航原子鐘的束縛，扭轉(zhuǎn)了核心技術(shù)受制于人的被動局面，實現(xiàn)了從跟跑者到領(lǐng)跑者的轉(zhuǎn)變。

超越常規(guī)導(dǎo)航思路

——“八萬多人干了20多年，我們走了一條絕無僅有的路?！?/strong>

2014年3月8日，馬航MH370失聯(lián)，事件暴露出快速定位搜救能力不足，導(dǎo)航、定位與通訊功能結(jié)合的需求愈加凸顯。第二年8月，美國在國際上提出建立航空器位置監(jiān)視和搜救標準，要求各國使用“銥星(美國通信衛(wèi)星)+GPS”的方案。不久，歐洲也宣布要實行“海事衛(wèi)星+伽利略”的類似標準。

相比之下，中國的北斗，從北斗一代開始就獨具一格，具備定位和通信功能。北斗一代創(chuàng)造性集定位、通信和授時三大功能于一體，豐富拓展了世界衛(wèi)星導(dǎo)航理論實踐，使我國僅用兩顆衛(wèi)星和地面高程數(shù)據(jù)庫就實現(xiàn)了國土及周邊地區(qū)的定位服務(wù)。而北斗二代獨有的有源定位和短信服務(wù)，超越了常規(guī)衛(wèi)星導(dǎo)航的發(fā)展思路。

對此，孫家棟院士說：“有源與無源兩種體制的結(jié)合，是中國北斗的最大特色和亮點，也是中國北斗的優(yōu)勢所在?！薄氨倍肥前巳f多人干了20多年，我們走了一條絕無僅有的路，別人都沒走過的，我們走成了?！北倍范柨傇O(shè)計師助理郭樹人說。

時下，北京大街小巷的公交站，候車乘客習慣性拿出手機查詢到下一趟車的到站時間。而數(shù)千里之外的南海海域，外出作業(yè)的漁船主正在往家里通報情況。而這一切，都歸功于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

隨著北斗芯片及終端的小型化、低成本等技術(shù)的發(fā)展和車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等產(chǎn)業(yè)快速興起，北斗系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)融合發(fā)展，北斗導(dǎo)航產(chǎn)品正全面走向大眾化應(yīng)用，“高大上”的北斗系統(tǒng)與普通百姓的生活越來越緊密聯(lián)系。

走出國門，北斗系統(tǒng)免費向亞太地區(qū)提供公開服務(wù)，定位精度優(yōu)于10米，測速精度優(yōu)于0.2米/秒，授時精度優(yōu)于50納秒，其定位精度等技術(shù)參數(shù)與GPS民用信號相當。貢獻中國智慧，彰顯中國擔當，北斗正在獲得越來越多國家和國際組織的認可，成為一張閃亮的“中國名片”。

在不得不說的軍事領(lǐng)域，北斗應(yīng)用戰(zhàn)略意義非凡。作為精確武器制導(dǎo)和未來聯(lián)合作戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)保障，北斗系統(tǒng)確保了國家重要戰(zhàn)略平臺可靠的任務(wù)執(zhí)行能力。在導(dǎo)彈制導(dǎo)方面，北斗系統(tǒng)可作用于機動式彈道導(dǎo)彈、遠程巡航導(dǎo)彈、戰(zhàn)略轟炸機及彈道導(dǎo)彈核潛艇等全程或某些特殊時刻的精確定位與位置校準。對于固定目標的打擊，導(dǎo)彈可以根據(jù)北斗提供的坐標自動尋找和精準打擊目標，精度達到幾米，甚至更高。而在聯(lián)合作戰(zhàn)方面，北斗系統(tǒng)能夠為所有陸上突擊力量、海上打擊平臺、空中作戰(zhàn)單元，以及所有參戰(zhàn)人員提供導(dǎo)航和定位，通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)將它們?nèi)柯?lián)于一體，實現(xiàn)海陸空全譜系聯(lián)合作戰(zhàn)——北斗正在為我們構(gòu)筑和開拓一個全新的戰(zhàn)略邊疆。

北斗的發(fā)展和應(yīng)用，贏得了市場認可，得到了大眾認同；反過來，市場的巨大推動力量，也在再塑北斗的未來。2015年4月，在莫斯科舉行的第九屆國際導(dǎo)航論壇上，俄羅斯導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)界的領(lǐng)袖們在探討全球四大導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展水平時，一致把中國北斗排在俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐盟“伽利略”系統(tǒng)之前。

星參北斗，位聯(lián)全球。今年下半年北斗全球組網(wǎng)拉開大幕，計劃2018年前后完成約18顆衛(wèi)星發(fā)射，率先為“一帶一路”沿線國家提供服務(wù)；2020年前后形成全球服務(wù)能力，建成世界一流的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。