北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS，簡稱北斗）是中國自主研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS）之后第三個成熟的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

我國很難在全球布設(shè)地面站，僅靠境內(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BDS的全球精密定軌、實時管控和自主運行產(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)展面臨的巨大屏障。

中國儀器儀表學(xué)會常務(wù)理事、國防科技大學(xué)教授楊俊帶領(lǐng)空間儀器團隊持續(xù)開展科研攻關(guān)，發(fā)明了大型復(fù)雜星座“精密測量鏈”“全球控制鏈”“時敏數(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”，消除了境外區(qū)域觀測盲區(qū)，讓北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能夠提供全球服務(wù)。

楊俊（中）帶領(lǐng)團隊開展相關(guān)研究工作

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，為北斗三號系統(tǒng)建設(shè)畫上了完美句號。《中國科學(xué)報》記者近日走進國防科技大學(xué)，深入了解該校空間儀器團隊架設(shè)星間鏈路背后的科研故事。

“陸路”不通架設(shè)“天路”

我國長期受限于境內(nèi)布站，衛(wèi)星在全球的觀測弧段只有30%。“這意味著北斗只能應(yīng)用于我國境內(nèi)和周邊，沒法為全球提供高質(zhì)量服務(wù)。”楊俊表示。

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終端部分。空間部分時空基準(zhǔn)由于多種因素影響往往不是完全準(zhǔn)確的，這就需要空間部分與地面控制部分進行校準(zhǔn)，這樣才能實現(xiàn)高精度。

美國GPS在全球范圍內(nèi)建設(shè)了數(shù)十個地面站，通過地面組網(wǎng)打通了“陸路”，直接為衛(wèi)星提供運維管控和時空基準(zhǔn)，確保GPS的高精度安全穩(wěn)定運行。

“BDS全球觀測弧段只有30%，全球精度會有很大影響。”楊俊解釋說，GPS布設(shè)在太空的每一顆衛(wèi)星，都可以和地面站連通，這就可以維持很好的時空基準(zhǔn)，而BDS在國外沒有布設(shè)地面站，那些地區(qū)就是盲區(qū)，精度也難以保障。

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%的境外觀測盲區(qū)問題，始終維持高精度的時空基準(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)空間儀器團隊嘗試在衛(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鏈路。

楊俊（前排右二）帶領(lǐng)團隊開展相關(guān)研究工作

此前國際上尚無相關(guān)經(jīng)驗，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，空間儀器團隊發(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)實時管控”“精密定軌與時間同步”“自主運行”等核心需求，使得域外觀測盲區(qū)的天塹變成了通途，這成為北斗導(dǎo)航系統(tǒng)從區(qū)域走向全球的“機括”。

為衛(wèi)星建設(shè)“太空高鐵”

所謂星間鏈路，就是在衛(wèi)星高速運動條件下快速建立鏈路，在相距數(shù)萬公里的衛(wèi)星間實現(xiàn)厘米級測距精度，在星座幾十顆衛(wèi)星間并行同時建鏈而互不沖突，在缺乏地面支持情況下仍可長期保持衛(wèi)星時空精度。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，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“獨木橋”，只實現(xiàn)了單鏈靜態(tài)拓?fù)洹我粋鬏敼δ堋６倍沸情g鏈路則是要修建整個星座系統(tǒng)的交通網(wǎng),需要的是“高速公路”，甚至是“太空高鐵”，這是中國航天的重大創(chuàng)舉。

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，最高的約3.6萬公里。衛(wèi)星相對運動速度最大約每秒4.8公里，它們之間的距離很遠(yuǎn)，有的達(dá)到六七萬公里。

架設(shè)北斗星間鏈路，首先要讓這些衛(wèi)星始終在正確、可控的軌道上運行。

“以前當(dāng)衛(wèi)星在我國上空運行時，因為地面站能聯(lián)接衛(wèi)星進行測控定軌，這些區(qū)域中衛(wèi)星是受控的。而到了其他國家尤其是進入南北極上空后，地面無法和衛(wèi)星互聯(lián)，衛(wèi)星處于失控狀態(tài)，這種情況下更談不上傳輸精準(zhǔn)的信息。”國防科技大學(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度需求，一顆星與十多顆衛(wèi)星建鏈，又要滿足實時傳輸?shù)臒o中心彈性組網(wǎng)和多系統(tǒng)開放互聯(lián)需求，是北斗系統(tǒng)建設(shè)的核心瓶頸，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。

GPS和BDS觀測覆蓋情況與北斗架設(shè)星間鏈路后覆蓋情況對比

為此，楊俊帶領(lǐng)空間儀器團隊加強基礎(chǔ)研究，首創(chuàng)了大型復(fù)雜星座自主定軌協(xié)同測量理論與方法，研制了核心載荷，構(gòu)建了星座動態(tài)適應(yīng)、開放互聯(lián)、無中心彈性的測量通信融合網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了星載實時高精度短弧段動力學(xué)雙模自主定軌與時間同步，顯著提升了全球定軌觀測幾何因子，高效承載了星間動態(tài)時敏信息網(wǎng)絡(luò)傳輸，定軌和鐘差精度均得到很大提升，與其他GNSS相比整網(wǎng)平均傳輸時延降低5倍以上，信息傳輸速率提高了10倍以上，成為了北斗系統(tǒng)的技術(shù)基石。

“基于這些創(chuàng)新研究，北斗導(dǎo)航衛(wèi)星能夠準(zhǔn)確知道自己的時間和位置，而且處于受控狀態(tài)，各司其職。即使衛(wèi)星運行在我國國土上空以外的地方，也能夠通過衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面站之間的協(xié)同測量通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)自主實時的衛(wèi)星管控與高精度時空基準(zhǔn)維持。”國防科技大學(xué)智能科學(xué)學(xué)院副研究員郭熙業(yè)表示。

實現(xiàn)100毫秒內(nèi)建鏈

星間鏈路的建鏈速度，決定了其運行效率。“這就好比我們?nèi)粘Ｊ褂檬謾C時接入WIFI的時間，肯定是越快越好。”郭熙業(yè)說。

“關(guān)鍵技術(shù)不能受制于人。北斗星間鏈路的瓶頸難點在于空間精密測量與數(shù)據(jù)傳輸，需要解決大尺度、高動態(tài)、強干擾條件下星間精密測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定連續(xù)獲取難題。”楊俊表示。

為了破解這一難題，上述團隊自主創(chuàng)新，獨創(chuàng)了測量通信融合的星間抗干擾精準(zhǔn)測量與校正方法，研制了星間鏈路核心載荷裝備，將首次建鏈時間從秒級縮短到百毫秒級，實現(xiàn)了強干擾下星間數(shù)萬公里距離上厘米級精準(zhǔn)測距，測量相對誤差小于十億分之一。

“此前衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)相互建鏈?zhǔn)且粋€很長的過程，比如GPS星間鏈路的完整建鏈周期約幾十秒。”孟志軍表示，北斗衛(wèi)星的組網(wǎng)運行速度非常之快，團隊基于上述技術(shù)的創(chuàng)新，使得北斗星間鏈路實現(xiàn)快速建鏈、精確測量。比如在全球任何一個地方有突發(fā)情況，我們極短的建鏈時間就能讓衛(wèi)星更快地獲取信息、更準(zhǔn)確地實施衛(wèi)星管控、更高效地提供用戶服務(wù)。

論證建設(shè)過程中，如何保證完整系統(tǒng)性能又是一重要課題，這意味著必須解決復(fù)雜星座星間鏈路測量、通信、組網(wǎng)、自主定軌等在軌試驗、組網(wǎng)演進和體系尋優(yōu)的難題。

“我們獨創(chuàng)了星座組網(wǎng)虛實結(jié)合、天地一體的整網(wǎng)試驗評估方法，構(gòu)建了基于‘在軌實星實裝+地基構(gòu)造衛(wèi)星+數(shù)字虛擬衛(wèi)星’的LVC星間鏈路整網(wǎng)綜合試驗評估環(huán)境，打造了一把‘金剛鉆’，取得星間鏈路首星首試圓滿成功，保證了北斗三號超前完成部署，順利開通全球服務(wù)。”楊俊說。

2020年7月31日，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式建成，面向全球用戶提供完整的全天時、全天候、高精度全球定位導(dǎo)航授時服務(wù)。

楊俊表示，正是在國內(nèi)外沒有可借鑒方案的情況下，團隊解決了境外衛(wèi)星連續(xù)實時管控等技術(shù)難題，突破了星間鏈路的技術(shù)屏障，使北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)從區(qū)域邁向全球，成為北斗自主創(chuàng)新和領(lǐng)先GPS的核心標(biāo)志。這也使得北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)真正成為我國首個實現(xiàn)全球組網(wǎng)運行的航天系統(tǒng)。

星間鏈路不局限于北斗系統(tǒng)

北斗星間鏈路的成功在軌應(yīng)用，得到了國際同行的廣泛關(guān)注。

據(jù)介紹，Inside GNSS雜志曾報道稱，北斗完成星間鏈路測試，是全球唯一用此功能提升精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。《麻省理工科技評論》將“超高精度定位”列入2021年“十大突破性技術(shù)”，中國科學(xué)院院士楊元喜在《中國科學(xué)基金》對其專題解讀稱，北斗超高精度定位得益于星間鏈路支持下獲得的高穩(wěn)定鐘差。國際導(dǎo)航服務(wù)組織（IGS）工作組主席O. Montenbruck在世界導(dǎo)航大會（IEEE/ION PLAN）上指出，北斗因使用星間鏈路，衛(wèi)星軌道精度明顯優(yōu)于GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo等系統(tǒng)。

北斗三號全球系統(tǒng)正式開通后，經(jīng)過三年穩(wěn)定運行。2023年5月，由13位中國科學(xué)院院士、中國工程院院士組成的科技成果鑒定委員會認(rèn)為，國防科技大學(xué)空間儀器團隊研發(fā)的星間鏈路是北斗三號全球系統(tǒng)實現(xiàn)世界領(lǐng)先的關(guān)鍵支撐，該成果屬世界首創(chuàng)，研制難度很大，核心關(guān)鍵技術(shù)自主可控，總體技術(shù)水平國際領(lǐng)先。

基于該成果，空間儀器團隊榮獲2023年度國家技術(shù)發(fā)明二等獎。

如今，全球大規(guī)模星座系統(tǒng)正如火如荼建設(shè)，分布式衛(wèi)星系統(tǒng)協(xié)同應(yīng)用對時空基準(zhǔn)的要求越來越高，對星間數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笤絹碓狡惹校枰獦?gòu)建精密時空基準(zhǔn)泛在、測量通信一體化的星間鏈路網(wǎng)絡(luò)。

“北斗星間鏈路，從理論上和實踐中證明了空間協(xié)同測量理論提升衛(wèi)星星座在軌服務(wù)性能的可行性和有效性。”楊俊介紹，星間鏈路體制以其優(yōu)異的彈性組網(wǎng)和跨域互聯(lián)能力，已擴展應(yīng)用到中國某星座、載人航天空間站等航天重大工程的多域互聯(lián)互通，形成全球?qū)崟r覆蓋的測量通信一體化天基網(wǎng)絡(luò)，極大地提升航天全球服務(wù)能力，戰(zhàn)略價值巨大。

楊俊（中）與團隊成員研討科學(xué)問題

“星間鏈路建設(shè)一直在路上，空間儀器團隊將進一步開展多元融合的天基綜合信息系統(tǒng)研究，推動我國天基信息從被動支援向自主服務(wù)轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)頻譜資源按需分配、動態(tài)釋放，建設(shè)開放、共享的智能天基系統(tǒng)，打造天基系統(tǒng)命運共同體。”楊俊表示。

文章轉(zhuǎn)載自：王昊昊,張照星,瞿智 / 中國科學(xué)報