中国北斗想和GPS一决高下
大国重器北斗三号是怎样炼成的
任何一个大国重器的诞生，似乎都避免不了和发达国家同类产品拼力比试、同台竞争甚至“掰手腕”的命运，作为要走进寻常百姓家的导航利器，北斗更是如此。近日，我国最新一代导航卫星北斗三号首次发射后，人们便迫不及待想知道走向全球的中国北斗，究竟能否和GPS一决高下。
这可能也是航天活动不近人情的地方，在最抓眼球的火箭点火、呼啸苍穹之后，人们的好奇心大多留给了“火箭发射有多厉害”“飞天卫星有什么用”等问题，至于其背后技术含量、研制人员辛劳程度则鲜有问津。不过，这一点并不完全适用于北斗，因为要真正说清楚它和GPS的区别，一些技术细节甚至是技术路线问题是绕不开的。
毕竟，中国北斗比GPS起步晚了20多年，不仅没能和后者站在同一条起跑线，就是在之后的追赶过程中，也不能说完全跻身到了同一个赛道上。以导航系统的地面站建设为例，美国打造GPS，可以在全世界“布点设站”，而中国囿于种种原因只能在“天上”想办法，攻坚卫星之间、星座之间的链路技术。
这正应了人们常说的那句 “既是挑战，也是机遇”。太空是个大舞台，在这个舞台上亮相的各种卫星，扮演着生旦净末丑不同的“角色”，但是无论什么样的角色，都有其基本功以及独门手艺，北斗也不例外。中国青年报·中青在线记者就此采访有关专家，揭秘走向全球的中国北斗究竟是怎样炼成的。
“大脑”：数十颗北斗卫星“天上漂”如何不擅离职守?
作为北斗三号卫星的打造者，中国航天科技集团五院的专家给出过这样一个比方——
如果把卫星类比成人的话，那么卫星的控制系统就相当于人的“大脑与神经组织”，指挥肢体完成各种工作;卫星推进系统相当于人的“肌肉组织”，推动肢体完成各种工作;而能源系统相当于人的“血液循环组织”，为大脑和肢体提供能量。
而为整个卫星提供时间基准、维持时间准确性的守时设备——原子钟，则相当于人的“心脏”，可谓“没有原子钟就没有全球导航”。卫星之间的链路技术，相当于人的“灵魂”，让人与人远距离之间也能够相互感应，彼此惦记，做到“心有灵犀”。
先说“大脑与神经组织”。这关乎不少人的一个疑问，即“数十颗北斗卫星同时在天上漂，他们如何做到不擅离职守?”
答案是，他们非常“自律”，知道自己该待在什么地方。而这种“自律”就得益于被称作卫星“大脑与神经组织”的控制系统。
按照中国航天科技集团五院北斗三号副总设计师高益军的说法，控制系统就是卫星在天上保持正确轨道、正确姿态的“总指挥”，它实时搜集卫星的轨道和姿态信息，一旦发现有所偏离，就指挥自己回到正常状态。
高益军说，有了这个北斗三号的控制分系统，就相当于增加卫星“至少60天”的完全自主运行能力。这意味着，一旦地面测控站出现故障期间，北斗卫星仍能够正常在轨工作。
“这样大大减少了对地面站的依赖，成就‘可视’范围外对卫星的控制。并大大降低系统的运行管理成本，当然这也给卫星控制系统的设计和实现带来了很大的难度。”高益军说。
值得一提的是，此次北斗三号研制任务中，控制系统国产化单机达100%，分系统国产化元器件占90%以上——这是高益军透露的一组数据。他说：“控制系统里没有一台进口产品。”
至于卫星的“血液循环组织”，有一个重要的组成部分，名为“二次电源”，它将卫星上一次太阳能或电池的电能进行转换，并通过星上线缆网——相当于卫星的“血管系统”，输送到各种电子设备。
按照中国航天科技集团五院510所专家的说法，电子设备有什么样的口味，他们就有什么样的“电能菜谱”，让卫星电子设备“大快朵颐”，来完成在太空中的表演。
“心脏”：精确定位的前提是一只“300万年1秒误差”的钟
不少人谈及北斗、GPS等卫星导航系统，第一个疑问就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我们的位置，又怎么能如此精准地‘指引’我们的方向?”
这就不得不提到被称作卫星“心脏”的原子钟，导航系统几乎都是依靠它来“掌握”时间的精度。北斗卫星导航系统总设计师杨长风说，时间精度就是卫星导航的“命门”，天地间时间越同步、误差越小，定位精度越高。
然而，在北斗导航卫星发展初期，我国并不具备研制生产星载原子钟的能力。杨长风说，过去，只有少数国家能够制造卫星导航系统使用的高精度原子钟，但对我国实行严格限制，甚至直接禁运，“这才倒逼我们研制能够上星的原子钟”。
直到北斗二号建设时，他国垄断才被彻底打破。如今，北斗三号建设大幕拉开，我们也迎来了最新一代原子钟——“铷原子钟”。
所谓“铷原子钟”，是以铷原子跃迁为物理基础建立的一套极度精密的电子设备，简称“铷钟”。其稳定度，直接关乎导航卫星的定位、测速和授时功能的精度，甚至可以说，直接决定着导航卫星的成败。
杨长风说，北斗三号所配备的铷钟，其稳定度达到E-14量级，“这相当于300万年只有1秒误差”。
中国航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师王平说，这一技术进步，直接推动了我国全球导航系统定位精度，由之前“区域系统”的10米，跨越到后续“全球系统”米级分辨率，测速和授时精度同步提高一个量级。
五院原子频标领域首席专家贺玉玲博士透露，当前，中国航天科技集团五院西安分院正在研制甚高精度铷原子钟，争取未来将导航卫星的定位精度、授时精度再提高一个量级，届时，这种追求精度极致的探索，或将带动新兴产业和新兴社会应用的出现。
“灵魂”：离“天地之间万物互联”不远了
当然，只有一颗卫星不足以称之为系统。我们常说的北斗，是中国北斗卫星导航系统的简称，不是指一颗卫星，以北斗三号这一代为例，按照计划，要到2020年，完成30多颗组网卫星发射，才能构成全球卫星导航系统，实现所谓的全球服务能力。
另一个容易被忽略的细节是，除了空间段这30多颗卫星，整个北斗系统还包括地面段和用户段，前者有地面基准站，后者有用户终端。
这就引出一个问题，即我国很难像GPS那样，在全球大范围建立地面站，为解决境外卫星的数据传输通道，似乎只能从“星间链路”下手——在卫星之间搭建的通信测量链路，实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。
这就是说，虽然我们“看不见”处在地球另一面的北斗卫星，但通过北斗卫星的星间链路，同样能和它们取得联系。
五院西安分院北斗导航副总设计师张立新说，星间链路技术就好比让北斗三号“太空兄弟手拉手”，不仅相互间通信和数据传输，还能相互测距，自动“保持队形”，可以减轻地面管理维护压力。
当然，星间链路并非只是“地面站难以大范围建设”的权宜之计，也是掌握着“主动出击”“自主导航”的关键。
所谓自主导航，就是指“即使地面站全部失效，30多颗北斗导航卫星也能通过星间链路提供精准定位和授时，地面用户通过手机等终端仍旧能进行定位及导航”。
张立新说，由于北斗导航卫星的地面站较少，地面系统的全球连续完好性监测，和实时告警的时间一般需要“数十秒到几小时”，而卫星上的直接监测预警，仅仅需要几秒钟的时间。
在他看来，卫星自主完好性监测，是北斗三号的一项新技术，相较于美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯以及欧洲的伽利略等导航卫星系统，中国北斗在世界上首次实现了卫星的在轨完好性自主监测功能。
此外，北斗三号的星间链路系统，还能与其他类型卫星相关联，联网的数量可达上百颗。张立新说：“这对于构建我国的天基综合信息网，实现我国卫星之间联网具有不可小觑的作用。”
他以遥感卫星为例，遥感卫星对全球的地面进行测绘，但只有卫星经过国土境内时，才能将其收集到的图片信息传回地面，而在天基综合信息网中，遥感卫星就能够以北斗导航卫星的星间链路为“通道”，实现信息的实时传输，互通天地信息。
如此，也就离我们所说的“天地之间万物互联”不远了。