獨家專訪北斗三號衛星系統總設計師林寶軍 北斗系統整體核心指標已超GPS

《中國經濟周刊》 記者 賈璇| 上海報道

“天上建好，地上用好”，是北斗系統的口號。

時至今日，北斗系統廣泛應用于國家經濟社會發展各行業領域，助力各行業轉型升級、提質增效，產生顯著的經濟效益和社會效益。

2020 年，在北斗三號全球衛星導航系統正式開通后，《中國經濟周刊》記者專訪了北斗三號衛星系統總設計師、中科院微小衛星創新研究院副院長林寶軍，聽這位“北斗狂人”親身講述北斗的“世界領先”是如何煉成的。

時隔三年，如今北斗衛星運行效果怎樣？下一階段的任務是什么？近日，《中國經濟周刊》再次對話林寶軍，探尋答案。

北斗系統精度比GPS 高一個量級

世界四大衛星導航系統分別為美國的全球定位系統（GPS）、俄羅斯的格洛納斯定位系統（GLONASS）、歐洲的伽利略衛星定位系統（Galileo）和中國的北斗衛星導航系統(BDS)。

“這四大導航系統里，原來北斗的目標是爭二保三。但現在來看，北斗系統運行效果超出預期，整體核心指標已經超過GPS，是世界一流的。”林寶軍激動地說。

他回憶道，一次調研中當他向別人說出同樣答案時，對方震驚地質疑：“GPS 是美國航天三個里程碑式成果之一，你們才干十幾年，是不是一些指標在特定的情況下比別人好，就說成是超過別人了？”

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林寶軍堅定地回答“不是”。

導航系統中，用于計量時頻（時間和頻率統稱為時頻）的精密儀器——星載原子鐘，可謂衛星的“心臟”，也是技術制高點。它的每一次跳動都直接決定著衛星定位、測速和授時功能的精度。某種程度上，誰的原子鐘做得更好，誰的導航系統就做得更好。

曾經，在北斗二號系統研制初期，星載原子鐘在國內尚屬技術空白，想從國外引進，卻被好幾家廠商以“保密”為由，一口回絕。

“北斗之父”、中國科學院院士孫家棟說：“我們再也不能對進口產品存在依賴性了。星載原子鐘必須下決心自己搞，就是砸鍋賣鐵也要做出自己的品牌。”

如今，北斗三號組網星裝上了“中國心”，還“豪橫”地采用了“一星兩鐘”，即同時配置兩個氫鐘和兩個銣鐘。林寶軍詳解：“我們發明并采用原子鐘無縫切換技術——讓氫鐘和銣鐘同時工作，一旦任何一方出現問題，立刻切換至另一方，切換時相位誤差僅為20 皮秒（1 皮秒等于一萬億分之一秒），用戶毫無感覺。”

《中國經濟周刊》首席攝影記者 肖翊I 攝

對于這項技術優勢，三年前，林寶軍說：“北斗衛星的精度比美國GPS 導航系統高約10 倍，每300 萬年才會差一秒?！?/p>

經過三年的在軌驗證，他給出更加確定的回答——“在時頻精度上，北斗衛星比GPS 高出近一個量級”。

此外，為了使北斗從區域走向全球，北斗系統全球首創突破了Ka 頻段這種測量型的星間鏈路技術。這項技術使我們所有北斗衛星連成一個大網，每顆星之間可以“通話”，可以測距，一星通、星星通，使衛星定位的精度大幅度提高。

據介紹，導航衛星不同于其他功能衛星，精準度高度依賴實時的測運控。測運控可簡單理解為，對運行中的導航衛星進行跟蹤、測量和控制，并負責整個衛星導航系統的運行控制。

我國國土資源有限，很多衛星無法實時進行監測，精度就無從保證。通過Ka 相控陣星間鏈路技術，讓能看到的星和看不到的星進行通話和傳輸。

“一開始所有人都認為，這種解決方案只是個研究方向，連美國人都還沒做出來，中國人不可能做出來。事實證明，我們不僅做出來了，而且這種基于國內測站實現全球星座運營的創新方式，還是穩定可信、世界領先的?！绷謱氒娬f。

CPU 芯片是衛星最為核心的元器件之一，北斗三號首次采用了國產龍芯。“實際在天上工作時，原本用的進口芯片大概一周會出現一次單粒子事件（空間高能粒子的影響，把芯片中的二進制數1 打成0、0 打成1），但龍芯在軌累計工作逾46 萬小時，單粒子翻轉為0，保證了北斗系統的超高穩定性?！?/p>

除了運行連續穩定可靠，北斗系統的功能也更強大。

據介紹，除具備其他三大導航系統都有的定位功能外，北斗三號還提供6項特色服務，即全球短報文、區域短報文、星基增強、地基增強、搜救服務和精密單點定位，性能方面達到“人無我有、人有我優”。

發備份星是因為組網星出問題？

一般來說，對衛星導航系統而言，可見星的數量和好的幾何特性決定著定位的精確性。

從星座構成來講，GPS、格洛納斯和伽利略均采用中軌道地球衛星，衛星軌道距離地球表面約20000 千米；北斗系統則采用低中高軌道結合的組網方式，除有24 顆中軌道地球衛星外，還有6 顆距離地表約36000 千米的高軌道地球衛星。

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《中國經濟周刊》首席攝影記者 肖翊I 攝

《中國經濟周刊》首席攝影記者 肖翊I 攝

“高軌道衛星的參與，讓中國及周邊地區北斗系統的可見星數更多，定位更快、精度更高，尤其在低緯度地區，特別在高樓林立的城市中，其性能優勢更為明顯。”林寶軍說。

他以自己在上海辦公室測試的可見星為例?！爱敃r接收到20 顆北斗衛星，十二三顆GPS 衛星，八九顆格洛納斯衛星。現在大部分智能手機兼容四大衛星導航系統，收集的所有信號共同解算位置，北斗的可見星多，就是北斗系統在起主要作用，特別是在國內。”

近期，北斗系統的高軌星座再添新成員。

2023 年5 月17 日10 時49 分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭，成功發射第56 顆北斗導航衛星。該衛星屬地球靜止軌道衛星，是2020 年北斗三號全球組網以來發射的首顆，也是唯一一顆高軌備份衛星。入軌并完成在軌測試后，將接入北斗衛星導航系統。

該衛星將增強系統的可用性和穩健性，提升系統現有區域短報文通信容量三分之一，還有助于用戶實現快速高精度定位。

然而，首顆備份星的發射，也讓一些質疑聲音出現：“發備份星是因為組網星出了問題？”

對此，林寶軍給出明確回應。一般來說，一年發2～3 顆備份星是行業慣例。北斗三號組網星的設計壽命為10年，在軌期間表現很好。備用星是在軌待命，組網星并未出現任何問題。

他還用早期發射的北斗導航試驗衛星為例，進一步證明北斗衛星的超高性能?！?015 年3 月30 日發射的首顆新一代北斗導航衛星，設計壽命是3～5 年，目前在軌運行8 年，功能一切正?！，F在該星承載更多科學實驗，屬于超期服役。”林寶軍說。

據介紹，最新“入列”的第56 顆北斗導航衛星，采用更高處理能力的國產化核心處理器件，采用更優越的抗空間環境設計，進行了一些信號播發性能的提升。

林寶軍透露，除了這顆備份星，我國后續還計劃發射中圓地球軌道（即MEO 衛星，是北斗全球組網的主力）的備份星，進一步提升和優化北斗系統的穩健性。

有擔當，真創新，謀跨越

目前中國北斗的服務空間是地表到地表以上數千公里的范圍。對于下一代北斗的建設發展，中國北斗人早在北斗三號系統開通服務時，便錨定了目標。

2020 年8 月3 日，國務院新聞辦舉行的新聞發布會上，中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其表示，要在2035 年前建成更加泛在、更加融合、更加智能的國家綜合定位導航授時體系（PNT 體系）。綜合定位導航授時體系是國家綜合定位、導航、授時的一個時空信息領域的體系化構建。它以衛星導航為核心和基礎，并融合現有各種各樣創新技術。特點是更安全、更高性能、更可靠。

簡單來講，PNT 體系就是陸?？仗煲惑w、室內室外無縫銜接、安全可靠、便捷實用的全方位的導航定位體系。

在林寶軍看來，實現目標要“有擔當，真創新，謀跨越”。

“航天領域有個傳統，一個航天器上采用的新技術不超過30%，但我們團隊研發的衛星采用了100 多項自主研發的關鍵技術，幾乎70%都是新的。”他坦言，當初提出要采用如此高比例的創新技術時，很多人都認為無法實現，甚至覺得如此大膽的嘗試近乎瘋狂，他還被人稱為“北斗狂人”。

在林寶軍看來，難突破的不僅是技術，還有固有觀念。“很多年來，大家都認為進口的東西更保險。我們團隊認為只要理論行得通、驗證充分，國產不等于不可靠。三年的實踐也證明，自主創新經得起考驗”。

秉持“真創新”的原則，他及團隊已經在北斗三號衛星上實現了多項“超前”布局的功能，“衛星在軌程序重構”就是其中一項。

據介紹，這項技術可實現將地面編好的程序上傳到星上，讓衛星在軌升級內部程序。做到不重新發新衛星，就能擁有“新”衛星。