北斗導航服務覆蓋全球
——北斗三號導航衛星首席總設計師謝軍和他的同事們

□ 本刊特約記者 鄭 蔚

阿波羅登月、航天飛機和衛星導航，這是20世紀人類航天事業的三大杰出貢獻。就其對人類日常生活影響而言，尤以衛星導航為最。

今年6月23日9時43分，長征三號乙運載火箭在西昌衛星發射中心升空，將第55顆北斗導航衛星送入預定軌道。這是北斗三號最后一顆全球組網衛星。

在航天科技集團五院總體部，北斗二號導航衛星總設計師、現任北斗三號工程副總設計師、北斗三號導航衛星首席總設計師謝軍告訴記者，至此，北斗三號實現了覆蓋全球、服務全球的跨越。

7月31日上午，北斗三號全球衛星導航系統建成暨開通儀式在北京舉行。中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平出席儀式，宣布北斗三號全球衛星導航系統正式開通。

“4小時的沖刺”，源于跨世紀的夢想

2007年4月16日，是謝軍和他的團隊永遠也忘不了的一天。

此前兩天——4月14日，凌晨4時11分，從西昌衛星發射中心沖天而起的長征三號甲運載火箭，將北斗二號第一顆MEO（中圓軌道）飛行試驗星送上太空；5時16分，太陽翼帆板展開。兩天后，衛星經過3次遠地點變軌等控制，于16日進入衛星工作軌道。

“16日晚上20時14分，試驗星上的有效載荷產品開始加電開機。”謝軍如數家珍般地告訴記者，“那晚，所有參與北斗二號導航衛星接收終端產品研發的單位，都將自己的接收設備放在一個操場上，等待衛星發送信號。從21時46分起，地面系統先后準確接收到了衛星播發的B1、B2、B3導航信號，所有在場的同志都高興得跳了起來！當時，我在西安衛星測控中心，也非常激動！我們終于實現了2007年4月17日前激活北斗導航信號的目標，確保了北斗二號系統申請的衛星導航信號頻率與軌位資源！此時，距離國際電聯規定的空間頻率申請失效僅有不到4個小時。”

太空浩瀚，但頻率資源有限。此前，國際電聯曾規定，任何國家申請空間軌道和信號頻率資源是有時限的，如超過7年還不能將所設計的衛星發射上天，所申請的頻率資源作廢。當時，美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯導航衛星已經使用了大量頻率，所剩下來的有限資源為歐洲導航衛星“伽利略”和中國導航衛星“北斗”所分享，誰先完成發射誰擁有使用頻率的優先權。國際電聯“先到先得”“逾期作廢”的規定，給了中國航天人很大的壓力。

“我是在2006年3月時，才聽說我們2000年向國際電聯申請的導航信號頻點，到2007年4月17日要過期。”謝軍說，當時確實有點緊張，“因為當時我們衛星的研發還未全部完成，擔心時間不夠。唯有優化流程，抓緊研發。”

之前，北斗一號雖然已在2002年完成了雙星定位，但按照國際電聯的標準，北斗一號仍是“試驗系統”，它與北斗二號衛星播發的導航信號技術體制完全不同，使用信號的頻率資源不同。為了確保這一國家任務的如期完成，航天科技集團要求“標準不能降，流程不能減”。剩下能壓縮的，只有休息時間，“我們只能以跑百米的速度來跑馬拉松，”謝軍說。

2007年的春節都沒有過完，大年初三，五院的大隊人馬就從北京飛往西昌，檢測設備安裝就位，馬不停蹄開始了連續6天6夜的不間斷加電測試，以模擬衛星和有效載荷在太空連續工作的狀態。從院士、型號總師到技術人員，一刻不停地輪班盯著測試進程，發現了問題及時解決。所有的問題都“歸零”之后，專家層決定：北斗二號首顆MEO試驗星14日發射。

“北斗二號的設計壽命是8年，但我們2010年1月17日發射的第一顆組網星，至今狀態良好，仍在使用。”謝軍頗感自豪。

星載原子鐘誤差1毫秒，定位精度會誤差300公里

謝軍在西昌衛星發射中心

2003年9月，兩個來自北京的電話改變了謝軍的人生。打第一個電話的是時任五院院長袁家軍，他說，“院里決定調你擔任北斗二號的技術總負責。”時任504所所長的謝軍，知道這副擔子不輕，不敢貿然答應。幾天后，謝軍的老領導、五院常務副院長兼北斗二號總指揮李祖洪的電話來了：“你別猶豫，現在北斗二號的任務很緊迫，難度很大，趕緊來。”謝軍明白，此乃航天用將之時。當年12月，五院成立北斗二號項目辦，謝軍正式走馬上任。

既然已建成北斗一號，為什么國家還要接著上馬北斗二號？長期從事北斗系統建設工作的研發副總師周鴻偉告訴記者，北斗一號始建于上世紀90年代，陳芳允院士認為國家實力有限，不可能像發達國家一樣一下子打幾十顆導航衛星上天，提出了“雙星定位”的體制，用“2顆GEO星+地面站”的方式，實現了我國導航衛星從無到有的飛躍，但其覆蓋區域和定位精度仍難以滿足國家發展和百姓生活的需求。

橫亙在謝軍和他的團隊面前的，是從平臺到星上載荷的全新挑戰。北斗一號采用的是通訊式的有源定位，用戶機必須發送信息才能參與定位，這一轉發式體制不僅造成用戶容量受限，而且用戶機的成本很高；而北斗二號采用廣播式的無源定位，即用戶機可不發送信息，只要像收音機收聽廣播一樣接收和解讀4顆以上導航衛星發來的數據，即可計算出其自身所在的位置，這一導航方式用戶數量可以不受限制，如同無數個收音機可以同時收聽一個電臺的播音節目。

而為了實現上述目標，北斗二號必須以星載原子鐘來定時，方能實現定位。而此前，北斗一號的授時工作主要由衛星地面站來完成，星上沒有原子鐘組。

周鴻偉說：“既然導航用戶是通過至少接收4顆以上導航衛星發射的位置信息來計算出自身位置的，因此這4顆星的時間必須準確而同步。衛星導航的時間精度是50納秒。1納秒是千分之一微秒、百萬分之一毫秒、10億分之一秒。為什么需要這么精準的時間？你知道光速是每秒30萬公里，如果有一只原子鐘慢了1秒，那計算機就會判讀你離這顆衛星又遠了30萬公里！1毫秒的誤差，在定位精度上造成的距離誤差為300公里；1微秒的誤差影響定位精度300米，1納秒的誤差是0.3米。”

“星載原子鐘哪里來？最初，我們也想過購買或引進，”謝軍說，“但要么是發達國家不賣給我們，要么是價格貴得我們買不起。我們的經費，只夠買北斗二號所需原子鐘數量的一半，還有一半必須我們自己動手造。”

“一開始，我們就想到過自主創新很難，但真沒想到這么難。”謝軍回首這些年走過的創新之路時說，“有人問我，做總師最怕什么？就是怕自己做出決策后，解決不了產品的問題，而眼看著時間在一個月一個月地過去，這是最焦慮的。但為了完成國家的任務，再難我們也只能扛著。”該院總體部導航衛星總體室副主任設計師康成斌說，為了解決星載原子鐘質量這個“攔路虎”問題，謝總是用心去深入一線，那些原子鐘生產廠家的技術人員，他都叫得出名字。有時做產品試驗，他也一直守著，36個小時不合眼……周鴻偉評價道：“謝總是北斗二號天基時空基準最重要的開創者。”

謝軍告訴記者，“北斗二號，從2004年立項到2012年完成，由5顆GEO（地球靜止軌道衛星）、5顆IGSO（傾斜地球同步軌道衛星）和4顆MEO實現組網，可為亞太區域提供導航服務。定位精度從北斗一號的20～30米，提高為水平和高程均為10米，接近當時的GPS民用標準。”

星間鏈路，唯有自己成長為“巨人”

“北斗三號的預研，于2009年 啟 動。2017年11月5日，首次發射北斗三號的2顆全球組網衛星。”謝軍告訴記者，“北斗三號系統共有30多顆導航衛星組成：3顆GEO、3顆IGSO和27顆MEO。”全球組網，全球服務，是北斗三號的目標和承諾，也帶來了全新的挑戰。首先是我國的衛星地面站基本都在我國境內，衛星在西半球上空時怎么辦？

謝軍帶領團隊花了近5年的時間，不僅提出了星間鏈路高軌和中軌結合的方案，首創了星間鏈路和混合星座的架構體系，還研發并突破與解決了原子鐘組、大功率微波產品、高精度測量等一系列重大難題。星間鏈路在空中為北斗三號的30多顆導航衛星建了一個“群”：只要依靠國內的地面站，就可管理全球的衛星，解決了海外布站、衛星境外監測的難題，實現了所有導航衛星的互聯互通。即使和地面聯系一時中斷，衛星也能繼續提供服務。

康成斌告訴記者，北斗三號衛星之間的信號不是采用廣播式發送的，而是采用更高頻段的窄波束，所以對衛星天線的指向性要求非常之高。且由于雙方無時無刻不在運動之中，通信天線既要像“萬里穿針”般精準，實現信號的快速捕捉、跟蹤和通信，還要把衛星運動帶來的“多普勒效應”出現的誤差補償掉，這對我國首個創建的大型空間網絡來說，是極大的挑戰。更何況，在北斗三號的前期論證中，就提出了元器件和器部件全面實現國產化與自主可控的目標，囊括了一顆星上近200臺（套）設備，國產設備不再是冗余系統的備份。

謝軍對研發團隊反復強調：“誰也不要以國產化為理由，降低標準。”用于放大無線電信號的行波管放大器，之前一直使用進口產品，按國產化要求有關單位開始自己研制。費了九牛二虎之力拿出了6臺產品，卻被謝軍全部退貨。

“當時作出這個決定其實挺難的，”謝軍告訴記者，“我知道這個新產品用一兩年還是可以的，但我們北斗三號的壽命要求是提高到10～12年，如果它第3年出問題了怎么辦？和大家反復商量之后，還是決定拿下來重新研發。”他強調要把所有的創新建立在扎實可靠的數據上，新產品在地面上就要進行全壽命不斷電的可靠性試驗，以充分掌握其長期性能，如發現問題必須進行改進“歸零”。

謝軍的助手們說，在北斗起步之時，我們也希望能站在“巨人的肩膀上”。但“巨人”可不是這么想的，對我們技術封鎖，不讓我們站在他的肩膀上。所以唯一的辦法，就是自己成長為巨人。謝軍他們做到了，他們是中國人的驕傲。

發射暫停！驚心動魄的收官之戰

北斗三號的最后一顆全球組網星原定的發射時間，不是6月23日，而是6月16日。6月15日晚間，中央電視臺新聞聯播正式預告了此星的發射時間為次日上午。但出人意料的是，次日凌晨，官方一則公告打破了人們的期待：因為實施此次發射的長征三號乙運載火箭在臨射前的測試過程中，發現技術問題，發射時間推遲。

謝軍與團隊成員探討技術細節

太突然了！太罕見了！按理說，既然能正式對外預告發射時間，那已經有了近乎100%的把握。更何況，作為同一個系列的長三甲、長三乙、長三丙運載火箭，從2000年以來，承擔了北斗導航工程的全部發射任務，成功率高達100%，是名副其實的“北斗專列”。這次怎么會在收官之作的最后一射，遭遇意外？

記者事后得知，原來是6月15日晚間，長三乙火箭在進行加電測試時，三級發動機的某分機的減壓閥壓力數據出現異常，雖然異常數據與正常值相差無幾，但科研人員不敢大意：減壓閥是火箭的“心臟部件”，結構復雜，作用重要，出現一丁點差錯，就有可能無法將高壓轉換為低壓，從而釀成大錯。

發動機總裝車間的員工李君等3人立即鉆入火箭艙內，果然在減壓閥的殼體上發現了一個極細微的“T”字形裂紋。時間異常緊迫，距離已公布的發射時間只有12小時，而留給他們更換減壓閥門的時間不過短短幾個小時。于是，一場在西昌衛星發射場進行的“搶險”戰斗開始了。既然故障原因已經查明，換個減壓閥就可將故障“歸零”，這應該不難吧？恰恰相反，很難。

難在何處？最難的環節用航天人的行話說，就是“多余物防控”。當初安裝減壓閥門時，為滿足“氣密”要求，所有的連接處都用厭氧膠封閉，以防氣體泄漏。厭氧膠的特點是，24小時后它自行固化。而現在要拆除減壓閥，固化的厭氧膠就會摩擦成粉末，任何多余物——哪怕是粉末留在箭體內，都有可能在發射過程中產生無法預料的后果。于是，他們3人只能在狹窄的火箭艙內，極為細心地換下減壓閥，然后用吸塵器和布袋將厭氧膠的粉末清理干凈。

當他們渾身濕透地出艙，已經是16日的零點。長三乙再次做好發射準備。突然，一道新的命令下達：推遲發射。原因是，指揮員考慮到換上去的減壓閥與替換下來的減壓閥是同一個產品批次，萬一發射過程中再產生裂紋怎么辦？必須萬無一失，不抱任何僥幸心理。又是一聲令下：“換！”位于北京的航天一院發動機零部件生產車間和質量處、工藝處連續作戰3天3夜，在規定的時間內拿出了5套合格的減壓閥門。

“高風險的航天領域，質量和進度、質量和數量一直是一對矛盾。”謝軍說，“但‘不帶疑點加注，不帶隱患上天’，這是我們航天的‘鐵律’。”

6月23日，北斗三號最后一顆組網星終于如愿進入預定軌道，為北斗三號成功組網畫上圓滿的句號。

記者在采訪即將結束時問謝軍：“北斗三號服務范圍覆蓋全球后，你們還會研制新一代的北斗導航衛星嗎？”他慨然應答：“肯定會。衛星的應用，取決于人的想象力。我們期望能融合多種手段，為社會打造一個新的綜合性PNT（定位導航授時）體系。北斗未來，大有可為，敬請期待。”