11月5日，中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，以“一箭雙星”方式成功發(fā)射第24顆、第25顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。中新社發(fā) 謝奇勇 攝

“心臟”：精確定位的前提是一只“300萬(wàn)年1秒誤差”的鐘

不少人談及北斗、GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，第一個(gè)疑問(wèn)就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我們的位置，又怎么能如此精準(zhǔn)地‘指引’我們的方向?”

這就不得不提到被稱作衛(wèi)星“心臟”的原子鐘，導(dǎo)航系統(tǒng)幾乎都是依靠它來(lái)“掌握”時(shí)間的精度。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師楊長(zhǎng)風(fēng)說(shuō)，時(shí)間精度就是衛(wèi)星導(dǎo)航的“命門”，天地間時(shí)間越同步、誤差越小，定位精度越高。

然而，在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展初期，我國(guó)并不具備研制生產(chǎn)星載原子鐘的能力。楊長(zhǎng)風(fēng)說(shuō)，過(guò)去，只有少數(shù)國(guó)家能夠制造衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的高精度原子鐘，但對(duì)我國(guó)實(shí)行嚴(yán)格限制，甚至直接禁運(yùn)，“這才倒逼我們研制能夠上星的原子鐘”。

直到北斗二號(hào)建設(shè)時(shí)，他國(guó)壟斷才被徹底打破。如今，北斗三號(hào)建設(shè)大幕拉開(kāi)，我們也迎來(lái)了最新一代原子鐘——“銣原子鐘”。

所謂“銣原子鐘”，是以銣原子躍遷為物理基礎(chǔ)建立的一套極度精密的電子設(shè)備，簡(jiǎn)稱“銣鐘”。其穩(wěn)定度，直接關(guān)乎導(dǎo)航衛(wèi)星的定位、測(cè)速和授時(shí)功能的精度，甚至可以說(shuō)，直接決定著導(dǎo)航衛(wèi)星的成敗。

楊長(zhǎng)風(fēng)說(shuō)，北斗三號(hào)所配備的銣鐘，其穩(wěn)定度達(dá)到E-14量級(jí)，“這相當(dāng)于300萬(wàn)年只有1秒誤差”。

中國(guó)航天科技集團(tuán)五院北斗三號(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師王平說(shuō)，這一技術(shù)進(jìn)步，直接推動(dòng)了我國(guó)全球?qū)Ш较到y(tǒng)定位精度，由之前“區(qū)域系統(tǒng)”的10米，跨越到后續(xù)“全球系統(tǒng)”米級(jí)分辨率，測(cè)速和授時(shí)精度同步提高一個(gè)量級(jí)。

五院原子頻標(biāo)領(lǐng)域首席專家賀玉玲博士透露，當(dāng)前，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院西安分院正在研制甚高精度銣原子鐘，爭(zhēng)取未來(lái)將導(dǎo)航衛(wèi)星的定位精度、授時(shí)精度再提高一個(gè)量級(jí)，屆時(shí)，這種追求精度極致的探索，或?qū)?dòng)新興產(chǎn)業(yè)和新興社會(huì)應(yīng)用的出現(xiàn)。

“靈魂”：離“天地之間萬(wàn)物互聯(lián)”不遠(yuǎn)了

當(dāng)然，只有一顆衛(wèi)星不足以稱之為系統(tǒng)。我們常說(shuō)的北斗，是中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，不是指一顆衛(wèi)星，以北斗三號(hào)這一代為例，按照計(jì)劃，要到2020年，完成30多顆組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射，才能構(gòu)成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)所謂的全球服務(wù)能力。

另一個(gè)容易被忽略的細(xì)節(jié)是，除了空間段這30多顆衛(wèi)星，整個(gè)北斗系統(tǒng)還包括地面段和用戶段，前者有地面基準(zhǔn)站，后者有用戶終端。

這就引出一個(gè)問(wèn)題，即我國(guó)很難像GPS那樣，在全球大范圍建立地面站，為解決境外衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸通道，似乎只能從“星間鏈路”下手——在衛(wèi)星之間搭建的通信測(cè)量鏈路，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站的鏈路互通。

這就是說(shuō)，雖然我們“看不見(jiàn)”處在地球另一面的北斗衛(wèi)星，但通過(guò)北斗衛(wèi)星的星間鏈路，同樣能和它們?nèi)〉寐?lián)系。

五院西安分院北斗導(dǎo)航副總設(shè)計(jì)師張立新說(shuō)，星間鏈路技術(shù)就好比讓北斗三號(hào)“太空兄弟手拉手”，不僅相互間通信和數(shù)據(jù)傳輸，還能相互測(cè)距，自動(dòng)“保持隊(duì)形”，可以減輕地面管理維護(hù)壓力。

當(dāng)然，星間鏈路并非只是“地面站難以大范圍建設(shè)”的權(quán)宜之計(jì)，也是掌握著“主動(dòng)出擊”“自主導(dǎo)航”的關(guān)鍵。

所謂自主導(dǎo)航，就是指“即使地面站全部失效，30多顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星也能通過(guò)星間鏈路提供精準(zhǔn)定位和授時(shí)，地面用戶通過(guò)手機(jī)等終端仍舊能進(jìn)行定位及導(dǎo)航”。

張立新說(shuō)，由于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的地面站較少，地面系統(tǒng)的全球連續(xù)完好性監(jiān)測(cè)，和實(shí)時(shí)告警的時(shí)間一般需要“數(shù)十秒到幾小時(shí)”，而衛(wèi)星上的直接監(jiān)測(cè)預(yù)警，僅僅需要幾秒鐘的時(shí)間。

在他看來(lái)，衛(wèi)星自主完好性監(jiān)測(cè)，是北斗三號(hào)的一項(xiàng)新技術(shù)，相較于美國(guó)的GPS、俄羅斯的格洛納斯以及歐洲的伽利略等導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，中國(guó)北斗在世界上首次實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌完好性自主監(jiān)測(cè)功能。

此外，北斗三號(hào)的星間鏈路系統(tǒng)，還能與其他類型衛(wèi)星相關(guān)聯(lián)，聯(lián)網(wǎng)的數(shù)量可達(dá)上百顆。張立新說(shuō)：“這對(duì)于構(gòu)建我國(guó)的天基綜合信息網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)衛(wèi)星之間聯(lián)網(wǎng)具有不可小覷的作用。”

他以遙感衛(wèi)星為例，遙感衛(wèi)星對(duì)全球的地面進(jìn)行測(cè)繪，但只有衛(wèi)星經(jīng)過(guò)國(guó)土境內(nèi)時(shí)，才能將其收集到的圖片信息傳回地面，而在天基綜合信息網(wǎng)中，遙感衛(wèi)星就能夠以北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的星間鏈路為“通道”，實(shí)現(xiàn)信息的實(shí)時(shí)傳輸，互通天地信息。

如此，也就離我們所說(shuō)的“天地之間萬(wàn)物互聯(lián)”不遠(yuǎn)了。

中國(guó)青年報(bào)·中青在線記者 邱晨輝