2020年度科技人物
楊長風：北斗系統(tǒng)讓中國時空信息掌握在自己手中
《中國新聞周刊》記者/李明子
發(fā)于2020.12.14總第976期《中國新聞周刊》
當外賣小哥穿越城市車流將食物從餐廳送到你的手上時，他的行動軌跡會完整地記錄在外賣軟件的地圖上?！?00米，600米，50米”，看著目標越來越近，似乎能消解等待食物的焦慮。
現(xiàn)代生活對各種位置信息的需求遠遠超出了人們的想象，智能終端內(nèi)置定位芯片無時無刻不在接收太空中導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的服務(wù)信號。而現(xiàn)在，在全球范圍內(nèi)的任意區(qū)域、任意時刻都可以同時觀測到8顆以上的中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。
“高精度定位是北斗系統(tǒng)的一大特色?！北倍沸l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計師楊長風介紹說，目前公布的全球范圍定位精度是優(yōu)于10米，實測的定位精度2~3米。配合更強大的地基增強系統(tǒng)，可以提供毫米級、厘米級服務(wù)，廣泛服務(wù)無橋梁形變監(jiān)測、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警等。
今年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，距離北斗一號工程立項已經(jīng)過去了26年。在具有戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域，被其他國家實施技術(shù)封鎖，就會面臨“卡脖子”的困境，北斗系統(tǒng)始終堅持自主創(chuàng)新，關(guān)鍵技術(shù)一定要掌握在自己手中。北斗系統(tǒng)攻克了星間鏈路、高精度星載原子鐘等160余項關(guān)鍵核心技術(shù)，突破500余種器部件國產(chǎn)化研制，實現(xiàn)北斗三號衛(wèi)星核心器部件百分百國產(chǎn)化。
“作為國家重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，北斗系統(tǒng)的研制與建成，對我國時空信息安全具有重要意義?！睏铋L風對《中國新聞周刊》分析說，“掌握了時間和空間，就控制了一個國家最重要的基礎(chǔ)信息。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是當今最重要的定位導(dǎo)航授時手段，是信息化社會的重要基礎(chǔ)，關(guān)系到國家安全和個人隱私，一定要把握在自己手中，是絕對不能受制于人的?！?/p>
擺脫牽制
2014年10月，56歲的楊長風從85歲的孫家棟院士手里接過北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計師的擔子。當時，他作為系統(tǒng)的副總設(shè)計師，全程參與了從北斗一號、北斗二號到北斗三號，共三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的論證設(shè)計、工程建設(shè)和組織管理工作。但在接任北斗系統(tǒng)工程總設(shè)計師后，楊長風仍“備感壓力”，頭發(fā)也在這幾年白了許多。當時，我國已經(jīng)建成北斗二號區(qū)域系統(tǒng)，正在向北斗全球系統(tǒng)過渡，全球系統(tǒng)的新體制、新技術(shù)、新信號都需要進行試驗驗證。
“說白了，就是整個系統(tǒng)的進度壓力?！睏铋L風介紹說，按計劃，北斗三號系統(tǒng)到2018年要完成18顆北斗三號衛(wèi)星組網(wǎng)，全面覆蓋“一帶一路”國家；到2020年，要完成30顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，并向全球用戶提供服務(wù)。
北斗系統(tǒng)始終堅持核心器部件百分之百國產(chǎn)化、持續(xù)提升關(guān)鍵單機可靠性、衛(wèi)星工作壽命達到10~12年之久。要實現(xiàn)這一系列目標，就要在衛(wèi)星升空之前，在地面做大量試驗驗證，以證明其能夠提供連續(xù)穩(wěn)定的服務(wù)，這些工作都需要大量時間。
楊長風不是一個人在戰(zhàn)斗。實際上，在過去的26年里，正是由一代又一代的北斗人接續(xù)努力，才能讓今天的北斗三號系統(tǒng)站在世界舞臺上與其他先進的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同臺競技。時間回到1994年，美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)已經(jīng)建成，俄羅斯的“格洛納斯”將于一年后完成24顆導(dǎo)航衛(wèi)星星座的組網(wǎng)，兩者均耗資數(shù)百億美元，中國當時還不具備這樣的實力。
早在1983年，為謀劃中國自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，“兩彈一星功勛獎?wù)隆鲍@得者、中國科學(xué)院院士陳芳允就提出了“雙星定位”設(shè)想。所謂“雙星定位”，即利用兩顆地球靜止軌道衛(wèi)星與地面系統(tǒng)配合實現(xiàn)區(qū)域定位。而美國GPS采用的是4星定位法，求解空間坐標(X、Y、Z)和時間坐標這4個未知量，需要4個方程，因此需要4顆衛(wèi)星的信號才能進行定位。相比之下，“雙星定位”可以用較少的費用、在短時間內(nèi)建成一個區(qū)域系統(tǒng)。為驗證這一設(shè)想，陳芳允院士團隊在1989年做了一次成功試驗，精度遠遠超過預(yù)期。
衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性在1990年海灣戰(zhàn)爭中得到了體現(xiàn)。當時還在建設(shè)中的美國GPS首次被運用到實戰(zhàn)，顯著提高了武器制導(dǎo)精度和打擊效果，美國甚至在海灣戰(zhàn)爭總結(jié)報告中將獲勝歸結(jié)為“GPS的勝利”。
另據(jù)中共上海市委黨校副教授時青昊撰文回顧，1993年7月，中國“銀河號”貨輪行駛至印度洋時，該船所在海域的GPS服務(wù)系統(tǒng)被故意關(guān)閉，導(dǎo)致船只被迫在公海停滯三周，這件事促使國內(nèi)專家聯(lián)名“上書”，建議啟動中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程。
1994年，北斗一號系統(tǒng)工程正式立項。中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)按照“三步走”戰(zhàn)略建設(shè)。第一步，2000年建成北斗一號系統(tǒng)(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng))并投入使用，為中國用戶提供服務(wù)；第二步，2012年建成北斗二號系統(tǒng)，為亞太地區(qū)用戶提供服務(wù)；第三步，2020年建成北斗三號系統(tǒng)，為全球用戶提供服務(wù)。
“北斗一號系統(tǒng)解決了我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有無的問題。”楊長風曾這樣總結(jié)。2000年，兩顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星先后成功發(fā)射并組成北斗一號系統(tǒng)，中國成為繼美國、俄羅斯之后第三個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。
打個漂亮的翻身仗
然而，彼時地球上空80%的“黃金導(dǎo)航頻段L頻段”絕大部分已經(jīng)被美國和俄羅斯占據(jù)。2000年4月17日，中國向國際電信聯(lián)盟提出頻段申請，同年6月5日，歐盟伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也提出了申請。國際電信聯(lián)盟批準了一小段頻率供各國平等競爭，使用規(guī)則是從申請日期開始計算，7年內(nèi)完成衛(wèi)星發(fā)射入軌和信號接收，“先用先得”，“逾期作廢”。
伽利略系統(tǒng)早中國北斗二號系統(tǒng)兩年啟動，并于2005年12月發(fā)射了首顆試驗衛(wèi)星，留給中國的時間越來越緊迫。
同時，北斗二號系統(tǒng)還要解決另一個難題。本打算從歐洲引進核心器部件星載原子鐘，然而國際合作道路卻屢屢受限。這也堅定了北斗人堅持核心技術(shù)自主可控的決心，我國組織了3家單位同時著手攻關(guān)，終于攻克這項關(guān)鍵技術(shù)！讓中國星上搭載了“中國鐘”。
星載原子鐘就如同一塊“手表”，為衛(wèi)星導(dǎo)航用戶提供精確的時間信息服務(wù)，高精度的時間基準技術(shù)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最核心的技術(shù)，直接決定著系統(tǒng)精度，對整個工程成敗起著決定性作用，其重要性如同人的心臟。
楊長風說，星載原子鐘的精度通俗指標是十萬年差一秒，而北斗三號衛(wèi)星搭載的星載原子鐘精度達到了三百萬年差一秒。
2007年4月14日，全部測試通過準備得當?shù)谋倍范栂到y(tǒng)首顆衛(wèi)星成功發(fā)射。4月16日晚，在距離頻率失效只有不到4小時的最后關(guān)頭，地面收到了這顆衛(wèi)星發(fā)出的信號并得到了國際電聯(lián)的官方認定，保住了中國持續(xù)發(fā)展北斗系統(tǒng)的合法空間位置和頻率資源。
“北斗三號系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)則是實現(xiàn)星間鏈路。”楊長風介紹說。國防科技大學(xué)、中國科學(xué)院、中國空間技術(shù)研究院分別組織隊伍攻關(guān)。2015年3月，由中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研制搭載星間鏈路的衛(wèi)星發(fā)射成功，同年8月，由中國空間技術(shù)研究院研制的兩顆北斗三號試驗衛(wèi)星成功在軌建立星間鏈路。
星間鏈路是北斗全球組網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵?！巴瑫r，星間鏈路也提高了定位精度?！睏铋L風對《中國新聞周刊》說。
推動北斗應(yīng)用
2020年6月23日上午，北斗三號最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空。至此，北斗三號系統(tǒng)全球星座部署圓滿完成。
北斗三號系統(tǒng)的30顆衛(wèi)星包括24顆中圓地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和3顆地球靜止軌道衛(wèi)星。
與北斗二號相比，北斗三號系統(tǒng)的服務(wù)性能進一步提升。在全球范圍內(nèi)，北斗三號衛(wèi)星分布更為均勻，全球任意區(qū)域任意時刻可見衛(wèi)星8顆以上，且星座可用性達到100%。北斗三號系統(tǒng)在提供基本定位導(dǎo)航授時服務(wù)的基礎(chǔ)上，還提供了國際搜救、星基增強、精密單點定位、地基增強、區(qū)域大容量短報文、全球短報文等特色服務(wù)。
“北斗系統(tǒng)的短報文服務(wù)是國外其他任何一個全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都不具備的?！睏铋L風介紹說，特別是在災(zāi)區(qū)通訊中斷、電力中斷的緊急情況下，可以使用衛(wèi)星信號傳輸信息，實現(xiàn)通信和定位。
2008年汶川地震，打開災(zāi)區(qū)人民第一條生命通道的救援部隊就利用北斗短報文突破了通信盲點，向外界通報了災(zāi)情，供指揮部及時作出決策。
北斗系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展也實現(xiàn)了翻天覆地的變化。據(jù)了解，2020年上半年申請入網(wǎng)支持北斗定位的智能手機達到80%，中國北斗終端社會持有量從2012年的23萬余臺/套猛增到2019年的超過7億臺/套。
2019年中國衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達3450億元，北斗相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)出口120余個國家和地區(qū)，向億級以上用戶提供服務(wù)。隨著“北斗＋”和“＋北斗”應(yīng)用的深入推進，北斗系統(tǒng)綜合效益將更加顯著。
“建好北斗系統(tǒng)是我們的初心使命，用好北斗系統(tǒng)則是我們的不懈追求?！边@也是楊長風一直以來積極推動的工作?！氨倍废到y(tǒng)作為全球最先進的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，它的應(yīng)用只受人類想象力的限制。”楊長風舉例介紹，目前我國基于北斗系統(tǒng)建成了世界上最大的車聯(lián)網(wǎng)平臺，已有近700萬輛的道路營運車輛安裝了北斗終端。平臺服務(wù)以來，中國道路運輸特重大事故發(fā)生起數(shù)和死亡失蹤人數(shù)下降50%以上。
2020年11月底，在由廣東省人民政府、國家發(fā)展和改革委員會、科學(xué)技術(shù)部、工業(yè)和信息化部共同主辦的2020年世界5G大會上，楊長風在主旨演講中表示，“通過北斗和5G相互賦能，將有效突破單一系統(tǒng)的局限性，實現(xiàn)室內(nèi)外無縫高精度定位，將高精度服務(wù)從室外擴展到室內(nèi)、地下室等遮蔽空間”，“未來高精度位置信息會像水、電和互聯(lián)網(wǎng)一樣深入服務(wù)公眾生活。”
《中國新聞周刊》2020年第46期
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