在北斗星群間架設“天路”

近日，國防科技大學空間儀器團隊攻克星間鏈路光頻梳精密測量難題，光頻梳精密測量的測距精度優于1.6納米，達到目前公開報告的最高水平，可為下一代北斗衛星導航系統星間鏈路超精密測量提供關鍵技術支撐。

該團隊曾主持完成北斗三號全球衛星導航系統（以下簡稱“北斗三號”）星間鏈路的論證和研制。截至3月30日，星間鏈路已在軌穩定運行十年，有力支撐了北斗三號的全球服務。

“星間鏈路是衛星和衛星之間的測量通信鏈路，好比是在衛星星群之間架設的‘天路’，就如同讓衛星互相‘加好友’，直接‘發消息’，實時共享位置，實現自主運行。”北斗三號星間鏈路發明人、團隊帶頭人楊俊對筆者表示，這使得北斗三號僅在國內部署地面站，就能實現全球范圍的服務覆蓋。

突破衛星間厘米級測距

按“三步走”發展戰略，北斗系統建設的第三步就是構建全球化的北斗三號系統。很多人擔心：前兩步還算好走，第三步很難走。

這是因為，我國很難在全球布設地面站。衛星在境外上空將處于失管失控狀態，巨大的境外區域觀測空白對全球精度有著顛覆性影響。這成為北斗系統由區域系統邁向全球系統面臨的最大技術障礙。

突破障礙的關鍵就是攻克星間鏈路技術。雖然美國GPS等衛星導航系統也曾嘗試應用星間鏈路技術，但那只是建設一些“羊腸小道”，僅可作為主干道的有益旁支。北斗的星間鏈路需要建設“高速公路”，成為連接衛星的核心主干。

2010年，空間儀器團隊正式領受了北斗星間鏈路這一世界難題的攻關任務。彼時，他們已經在衛星測控和衛星導航領域深耕多年，并在2007年率先開展了星間鏈路論證和關鍵技術攻關工作。

從理論到實踐有很多難關，星間測距儀就是眾多難關中首先需要攻克的技術。“這就好像是造一把衛星之間的‘尺子’，在秒級時間內，對相隔數萬公里的衛星進行厘米級測距。”團隊成員郭熙業說。

太空輻射、溫差巨大等極端條件，僅僅是攻關中的“開胃菜”。更艱巨的任務是星間測距儀要在超遠距離、極大動態、超高精度等苛刻要求下，在極短時間內快速穩定地捕獲微弱的星間信號并實現精準測量。認真研究后，郭熙業大膽推翻原有追求極致速度的方案，決定以“時間換空間”，適當延長預處理時間，以壓縮捕獲范圍，提升處理效率。他還提出了精確指向、快速捕獲、精密測量等多要素一體化算法，數十毫秒即可完成星間信號捕獲。新方案使得資源利用率得到極大提升，不僅靈敏度提高了30倍，測距精度隨之提升至厘米級。

實現全星座高精度定軌

建設星間鏈路還需要將所有衛星都“管”起來，即依賴星間鏈路實現整個星座的精密定軌。毫無意外，這也是一個前所未有的難題，沒有成功經驗可供參考，前路迷霧重重。

如何破除迷霧？不能只是瞎闖亂試，必須要有一套科學的方法。

楊俊介紹：“星間鏈路好像一個大型空間儀器，需要一套空間協同測量理論和方案。”從本質上說，他們要解決的是一個多點的、遠距離、大動態、高精度的測量通信問題。

“我們可以讓一顆衛星同時與多顆衛星相互測量，通過幾何拓撲約束來計算衛星位置。”團隊成員陳建云解釋道，這就相當于單星擁有十幾條測量基線，通過形成多面體的幾何約束，計算出衛星的準確位置，解決定軌問題。

他進一步解釋：“‘同時’，只是一個相對概念，只要我們足夠快，從系統層面看就是同時的，類似于計算機的并行處理。”

最終，該團隊提出了“并發空分時分”空間協同測量理論和工程方法。這是一種通過時間維度（時分）和空間維度（空分）的協同編排，實現多節點、多任務并行測量的導航衛星系統優化理論。該理論不僅可提升觀測幾何強度，而且解決了星座狀態變遷和擴展應用的網絡彈性，極大提高星間鏈路的配置靈活性和擴展能力。這既滿足了定軌需要的單星十幾條測量鏈路需求，又解決了載荷的體積、重量、功耗等衛星承載難題。

首創星間鏈路地面系統

通過星間鏈路，北斗系統可以在國家境內對整個星座進行控制管理，實現一站式對所有的衛星進行精密定軌和時間校對。

首發衛星是星間鏈路方案及技術攻關成果的試金石，它的在軌驗證是頭等大事。首發衛星發射前一年，團隊緊鑼密鼓地開始星間鏈路載荷在軌地面支持系統攻關工作。

“首先要實現地面系統與星間鏈路的完美對接，確保信息傳輸的高效與穩定。”郭熙業提出，“讓首發衛星和地面系統同時指向對方實現對接是很困難的，能否保持衛星固定指向，而讓地面系統指向衛星？就好比穿針引線，針和線都在動是很難穿的，但針固定不動就容易很多！”

受此啟發，創新性的“直捕方案”逐步細化形成。

“復雜的太空環境下，必須要讓地面系統準確捕捉到衛星的微小變化，并及時做出調整。”擅長硬件設計的團隊成員孟志軍建議，“可以在地面系統中加裝星間鏈路的‘體檢設備’，最好能夠將信號全部采集下來，不漏掉任何微小變化。”最終，團隊決定將集信號采集、數據分析、狀態診斷等多功能于一體的星間鏈路地面檢測設備裝進地面系統。

這群星夜兼程的年輕人提前半年讓地面系統就位。2015年3月30日，搭載星間鏈路載荷的北斗三號首顆衛星成功發射。2024年6月，該團隊憑借這項開創性成果獲得2023年度國家技術發明獎二等獎。

研究還在進一步推進。該團隊透露：“星間鏈路光頻梳精密測量難題的攻克，只是下一代北斗衛星導航系統星間鏈路技術升級攻關中的一小步。除了超精密測量，我們還計劃讓星間鏈路在實現網絡持續演進的同時，創造混合鏈路新機制，并計劃突破智能組網技術，賦能未來更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。”