为“北斗”上天铺就科技路 | 率先行动计划

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7月31日，北斗三号全球卫星导航系统（以下简称北斗三号系统）正式开通。

多年来，中国科学院发挥多学科综合优势，在卫星制造、关键单机及部组件、核心芯片、时间与轨道测量、星地试验等方面，为北斗三号系统研制提供了强有力的科技支撑，诠释了科技创新的核心价值。

近日，“中国卫星导航系统重大专项”成果入选中科院“率先行动”计划59项重大科技成果及标志性进展。

自主创新的“北斗星”

“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。”前不久，中科院微小卫星创新研究院副院长、北斗三号系统总设计师林宝军以新时代北斗精神——自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越为题，作了一首藏头诗。他把北斗比喻成“湛卢剑”，科研人员则是“铸剑人”。

作为国家战略科技力量，中科院微小卫星创新研究院、精密测量科学与技术创新研究院、上海天文台、国家授时中心、国家空间科学中心等多家科研院所联合攻关，成功研制和发射12颗北斗导航卫星，为北斗系统提供从原材料、元器件、核心部组件到卫星，从星上到地面的全链条解决方案。

林宝军介绍，科研人员通过自主创新实现多项高科技：突破全球系统组网卫星的核心关键技术，首创导航星座星间链路技术，实现了“一星通、星星通”，卫星观测PDOP（位置精度强弱度）值提高10～30倍，在7万公里的距离，100毫秒可以实现卫星捕获和测距，卫星双向测距精度高达1厘米；全面推进自主可控，采用了国产龙芯+FLASH的架构，填补了国产航天处理器空白，同时实现了微波等核心器件全部国产化，带动材料、器件、部组件、单机到系统整个产业链发展，使核心器部件自主可控……

“我们这支团队81个人，平均年龄31岁，干成了前人花20年才能干完的一件事情。”林宝军相信，未来一定能够将北斗做成跟GPS旗鼓相当的导航系统。

最强“大脑”和“心脏”

在诸多自主创新技术中，最为基础和核心的技术是全球卫星导航系统时空基准技术，也就是卫星系统的“大脑”和“心脏”。

由中科院上海天文台研发的信息处理系统部分基础模块就像北斗的“最强大脑”，能实时修正误差、多备份，以保持高可靠度，确保北斗空间信号精度与GPS相当。

星载原子钟为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号，因其必须不间断且稳定，如同脉搏和心跳，被称为导航卫星的“心脏”。中科院精密测量科学与技术创新研究院研制的第三代星载铷原子钟，如今已实现精度每天一百亿分之三秒，达到国际领先水平；中科院上海天文台研制的星载氢原子钟实现了约600万年仅误差1秒的精度，大幅度提升北斗导航卫星系统的时间基准精度。

“北斗为大家导航，而我们为北斗‘导航’”，科研人员中流传着这样一句话。正是有了最强“大脑”和“心脏”，北斗三号系统的建成令世界对中国的卫星研制技术刮目相看。

“长板”创新拓展未来需求

在林宝军看来，中科院北斗导航卫星研制团队的前沿科技创新来源于理念上的变革。“通常，大家都习惯于‘短板理论’，希望通过弥补技术短板来实现性能提升，‘短板理论’最经济。”他告诉《中国科学报》。

因此，一般卫星上使用新技术的比例不到30%。但是，在北斗三号系统的研制中，中科院科研团队创造性地采取“长板理论”的策略，旨在最大限度拓展未来成长性需求。林宝军认为，这给北斗三号系统的设计带来了颠覆性改变。

中科院上海天文台研制成功的第一台双频氢原子钟便是“长板理论”的最好诠释，其精度比铷原子钟高一个数量级。“这台氢原子钟虽然没有在轨运行过，但我们认为技术是可靠的，同时也装备了铷原子钟以确保万无一失。”林宝军介绍。

同时，科研人员也看到了先进技术创造的潜在应用场景。氢原子钟可在20皮秒内与铷原子钟“无缝切换”，实现自主连续提供信号。“这就意味着，如果开车时导航信号中断，可以在用户察觉不到的情况下切换到备份信号。”林宝军说。

基于“长板理论”，科研团队相信，新技术只要靠谱，不用十年，就能创造巨大的应用空间。