面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

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【中國科學報】為“北斗”上天鋪就科技路

2020-09-16 中國科學報 劉如楠 沈春蕾 甘曉
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北斗導航衛星效果圖 中科院微小衛星創新研究院供圖

  7月31日,北斗三號全球衛星導航系統(以下簡稱北斗三號系統)正式開通。

  多年來,中國科學院發揮多學科綜合優勢,在衛星制造、關鍵單機及部組件、核心芯片、時間與軌道測量、星地試驗等方面,為北斗三號系統研制提供了強有力的科技支撐,詮釋了科技創新的核心價值。

  近日,“中國衛星導航系統重大專項”成果入選中科院“率先行動”計劃59項重大科技成果及標志性進展。

  自主創新的“北斗星”

  “自主鑄就北斗星,創新擘畫玉汝成。開放彰顯乾宇志,融合時空謀共贏。萬眾抗疫同舟濟,一心相異退群聲。追求普惠華夏愿,卓越湛盧獻和平。”前不久,中科院微小衛星創新研究院副院長、北斗三號系統總設計師林寶軍以新時代北斗精神——自主創新、開放融合、萬眾一心、追求卓越為題,作了一首藏頭詩。他把北斗比喻成“湛盧劍”,科研人員則是“鑄劍人”。

  作為國家戰略科技力量,中科院微小衛星創新研究院、精密測量科學與技術創新研究院、上海天文臺、國家授時中心、國家空間科學中心等多家科研院所聯合攻關,成功研制和發射12顆北斗導航衛星,為北斗系統提供從原材料、元器件、核心部組件到衛星,從星上到地面的全鏈條解決方案。

  林寶軍介紹,科研人員通過自主創新實現多項高科技:突破全球系統組網衛星的核心關鍵技術,首創導航星座星間鏈路技術,實現了“一星通、星星通”,衛星觀測PDOP(位置精度強弱度)值提高10~30倍,在7萬公里的距離,100毫秒可以實現衛星捕獲和測距,衛星雙向測距精度高達1厘米;全面推進自主可控,采用了國產龍芯+FLASH的架構,填補了國產航天處理器空白,同時實現了微波等核心器件全部國產化,帶動材料、器件、部組件、單機到系統整個產業鏈發展,使核心器部件自主可控……

  “我們這支團隊81個人,平均年齡31歲,干成了前人花20年才能干完的一件事情。”林寶軍相信,未來一定能夠將北斗做成跟GPS旗鼓相當的導航系統。

  最強“大腦”和“心臟”

  在諸多自主創新技術中,最為基礎和核心的技術是全球衛星導航系統時空基準技術,也就是衛星系統的“大腦”和“心臟”。

  由中科院上海天文臺研發的信息處理系統部分基礎模塊就像北斗的“最強大腦”,能實時修正誤差、多備份,以保持高可靠度,確保北斗空間信號精度與GPS相當。

  星載原子鐘為衛星系統提供高穩定的時間頻率基準信號,因其必須不間斷且穩定,如同脈搏和心跳,被稱為導航衛星的“心臟”。中科院精密測量科學與技術創新研究院研制的第三代星載銣原子鐘,如今已實現精度每天一百億分之三秒,達到國際領先水平;中科院上海天文臺研制的星載氫原子鐘實現了約600萬年僅誤差1秒的精度,大幅度提升北斗導航衛星系統的時間基準精度。

  “北斗為大家導航,而我們為北斗‘導航’”,科研人員中流傳著這樣一句話。正是有了最強“大腦”和“心臟”,北斗三號系統的建成令世界對中國的衛星研制技術刮目相看。

  “長板”創新拓展未來需求

  在林寶軍看來,中科院北斗導航衛星研制團隊的前沿科技創新來源于理念上的變革。“通常,大家都習慣于‘短板理論’,希望通過彌補技術短板來實現性能提升,‘短板理論’最經濟。”他告訴《中國科學報》。

  因此,一般衛星上使用新技術的比例不到30%。但是,在北斗三號系統的研制中,中科院科研團隊創造性地采取“長板理論”的策略,旨在最大限度拓展未來成長性需求。林寶軍認為,這給北斗三號系統的設計帶來了顛覆性改變。

  中科院上海天文臺研制成功的第一臺雙頻氫原子鐘便是“長板理論”的最好詮釋,其精度比銣原子鐘高一個數量級。“這臺氫原子鐘雖然沒有在軌運行過,但我們認為技術是可靠的,同時也裝備了銣原子鐘以確保萬無一失。”林寶軍介紹。

  同時,科研人員也看到了先進技術創造的潛在應用場景。氫原子鐘可在20皮秒內與銣原子鐘“無縫切換”,實現自主連續提供信號。“這就意味著,如果開車時導航信號中斷,可以在用戶察覺不到的情況下切換到備份信號。”林寶軍說。

  基于“長板理論”,科研團隊相信,新技術只要靠譜,不用十年,就能創造巨大的應用空間。

  (原載于《中國科學報》 2020-09-16 第1版 要聞)
打印 責任編輯:侯茜

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