北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS，簡稱北斗）是中國自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼全球定位系統(tǒng)（GPS）、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。
BDS很難在全球布設(shè)地面站，僅靠我國境內(nèi)地面站建立星地鏈路，70%以上的境外區(qū)域處于觀測盲區(qū)，對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的全球精密定軌、實(shí)時(shí)管控和自主運(yùn)行產(chǎn)生致命影響，這成為北斗導(dǎo)航由區(qū)域系統(tǒng)向全球系統(tǒng)發(fā)展面臨的最大屏障。
國防科技大學(xué)教授楊俊帶領(lǐng)空間儀器團(tuán)隊(duì)持續(xù)開展科研攻關(guān)，發(fā)明大型復(fù)雜星座“精密測量鏈”“全球控制鏈”“時(shí)敏數(shù)據(jù)鏈”三鏈合一的全球星座彈性多模星間鏈路，在衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站之間架設(shè)“天路”，消滅了境外區(qū)域觀測盲區(qū)，讓北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供全球服務(wù)。
今年9月19日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運(yùn)載火箭與遠(yuǎn)征一號上面級，成功發(fā)射第59顆、60顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。《中國科學(xué)報(bào)》記者近日走進(jìn)國防科技大學(xué)，深入了解該校空間儀器團(tuán)隊(duì)架設(shè)星間鏈路背后的科研故事。
“陸路”不通架設(shè)“天路”
我國因長期受限于境內(nèi)布站，全球觀測弧段只有30%。“這意味著北斗只能觀測和服務(wù)我國，沒法為全球提供服務(wù)?！睏羁”硎?。
一般地，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括空間部分、地面控制部分和用戶設(shè)備部分。空間部分獲取的信息往往不是完全準(zhǔn)確的，這就需要空間部分獲取信息后與地面端進(jìn)行校準(zhǔn)，這樣才能實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)度。
美國GPS在世界各地建設(shè)了數(shù)百上千個(gè)地面站，通過地面組網(wǎng)打通了“陸路”，直接為衛(wèi)星提供運(yùn)維管控和時(shí)空基準(zhǔn)，確保GPS的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
“BDS全球觀測弧段只有30%，精度也會(huì)有一定影響?！睏羁〗忉屨f，GPS布設(shè)在地面的每一顆衛(wèi)星，都可以和地面站連通，這就可以維持很好的數(shù)據(jù)校準(zhǔn)，而BDS在國外沒有布設(shè)衛(wèi)星，那些地區(qū)就是盲區(qū)，精準(zhǔn)度也難以保障。
BDS要提供全球服務(wù)，就必須打造導(dǎo)航衛(wèi)星全球一張網(wǎng)，解決這70%的域內(nèi)觀測盲區(qū)問題，始終維持高精度的時(shí)空基準(zhǔn)。
如何破題？既然“陸路”不通，那就另辟蹊徑。
為此，國防科技大學(xué)空間儀器團(tuán)隊(duì)獨(dú)辟蹊徑，嘗試在衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站之間架設(shè)“天路”，搭建具有數(shù)據(jù)傳輸和精密測量功能的無線星間鏈路。
此前國際上尚無相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，更談不上理論成果。憑借在航天測控平臺與衛(wèi)星通信載荷領(lǐng)域的深厚積淀，空間儀器團(tuán)隊(duì)發(fā)明了大型復(fù)雜星座三鏈合一的全球星座彈性多模星間鏈路，解決了“境外衛(wèi)星連續(xù)實(shí)時(shí)管控”“精密定軌與時(shí)間同步”“自主運(yùn)行”等核心需求，這成為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)從區(qū)域走向全球的“機(jī)括”。
為衛(wèi)星“鋪路”實(shí)施管控
所謂星間鏈路，就是在衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)條件下快速建立鏈路，在相距數(shù)萬公里的衛(wèi)星間實(shí)現(xiàn)厘米級測距精度，在星座幾十顆衛(wèi)星間并行同時(shí)建鏈而互不沖突，在缺乏地面支持情況下仍可長期保持衛(wèi)星軌道和時(shí)間。星間鏈路作為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)公認(rèn)的技術(shù)制高點(diǎn)，是世界性的重大科技難題。
此前已有的星間鏈路，大多是在兩顆衛(wèi)星之間架設(shè)一座“獨(dú)木橋”，只實(shí)現(xiàn)了單點(diǎn)靜態(tài)拓?fù)洹我粋鬏敼δ?。而北斗星間鏈路則是要修建整個(gè)星座系統(tǒng)的交通網(wǎng)。
目前，我國已成功發(fā)射60顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，這些衛(wèi)星由若干地球靜止軌道衛(wèi)星、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和中圓地球軌道衛(wèi)星組成，不同軌道的高度不同，最高的超過3.5萬公里。每顆衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)速度約為每秒7公里，它們之間的距離很遠(yuǎn)，有的超過六七萬公里。
架設(shè)北斗星間鏈路，首先要讓這些衛(wèi)星始終在正確、可控的軌道上運(yùn)行。
“以前當(dāng)衛(wèi)星在我國領(lǐng)空運(yùn)行時(shí)，因?yàn)榈孛嬲灸芎托l(wèi)星實(shí)時(shí)校準(zhǔn)，這些區(qū)域中衛(wèi)星是受控的。而到了其他國家尤其是進(jìn)入北極后，衛(wèi)星往往進(jìn)入失控狀態(tài)，飄到其他軌道，地面也無法和空間互聯(lián)，這種情況下更談不上傳輸精準(zhǔn)的信息?！眹揽萍即髮W(xué)智能科學(xué)學(xué)院副研究員孟志軍說。
北斗星間鏈路兼具測量和傳輸兩大功能，既要滿足全球定軌的多星協(xié)同精密測量和觀測幾何強(qiáng)度需求，一顆星與十多顆衛(wèi)星建鏈，又要滿足實(shí)時(shí)傳輸?shù)臒o中心彈性組網(wǎng)和多系統(tǒng)開放互聯(lián)需求，國內(nèi)外均沒有可借鑒方案，屬于世界性難題，必須從理論和技術(shù)上自主創(chuàng)新全面突破。
