北斗创新“开枝散叶” 高难度升级98%“中国创造”

　　近日，我国发射两颗北斗导航卫星，使北斗导航卫星家族成员增加到19枚。与“哥哥”们相比，这对新生的“北斗兄弟”部件国产化率提高到98%，关键器件和部件全部实现国产化，浑身洋溢着浓浓的中国创新味。

　　从北斗导航卫星的“老家”——中国航天科技集团公司五院了解到，北斗双星的新技术、新产品占到了其全部产品的近八成，这在中国航天以前研制的卫星上前所未有。这究竟是如何实现的?

　　高难度的升级版

　　新发射的两颗北斗导航卫星是此前发射卫星的升级版，这种“升级”体现在北斗双星的“心脏”、“大脑”、“筋骨”等多个方面

　　“北斗导航双星‘兄弟’是他们‘哥哥’们的升级版。”中国航天科技集团公司五院北斗导航卫星系统总设计师谢军表示，这种“升级”体现在北斗双星的“心脏”、“大脑”、“筋骨”等多个方面。

　　铷原子钟是卫星导航定位系统的“心脏”，它的性能指标是决定定位系统指标的主要因素之一。然而，在上世纪80年代北斗导航卫星研制刚起步时，受限于工业制造基础和创新能力，类似于铷原子钟的关键产品只能从西方国家购买。

　　谢军至今依然记得他们当初为了进口铷钟，与欧洲某公司负责人从白天谈判到凌晨四五点仍然谈不下来的艰辛和憋屈。“必须自己干!”五院西安分院和510所的科研人员们下定决心，相继攻克一系列难题，研制出我国第一台铷钟，全面替代了国外产品。谢军说，相比之前，新一代高精度铷钟的定位、测距和授时等功能更加精准，能提供更精确的定位服务。

　　北斗双星“兄弟”配备的高轨卫星综合电子系统被称为我国卫星的“最强大脑”。过去，我国的卫星大都有两个“大脑”，一个主管思考、视觉和四肢运动等功能，另一个负责卫星的生理调节和与外界的交流。五院总体部和502所研发了“综合电子系统”，可以用一套系统实现过去两个卫星“大脑”的功能，做到“一脑两用”。“最强大脑”应用了我国自主知识产权的四核片上系统SoC2012和国产化ASIC芯片。这两种产品从方案到控制算法，从硬件到SpaceOS2.0操作系统、再到应用软件，都是100%中国造，性能达到国际领先水平。

　　北斗双星“兄弟”在转运、升空及巡天的过程中，要顺利通过高温、高压、剧烈震动的考验，就必须有强健稳定的“钢筋铁骨”。为此，五院总体部和529厂攻下多道世界级技术难关，给它们首次采用了桁架式主承力结构，实现承载能力更强、重量更轻，让北斗双星“兄弟”在精度上的整体偏差不超过一根头发丝的粗细。

　　今后，大家的朋友圈里有可能会刷出北斗双星“兄弟”的自拍照。这是因为五院508所设计师们为它们配置了新型的CMOS相机。与上代产品相比，这个“自拍神器”重量轻、体积小、功耗大幅下降，还首次拥有存储功能，能随时存取所拍图片，方便人们及时了解“兄弟俩”的近况。

　　严密的系统创新

　　高密度、高强度的创新绝不能依靠“随机”和“碰巧”，而是需要极为严密的系统谋划和推进。无论是顶层设计还是技术体系形成，都需要系统创新。“协同”也是系统创新的重要特点

　　中国航天科技集团公司五院北斗导航卫星系统总设计师王平介绍说，一般来说，新研制的卫星所采用的技术中如果45%都是新技术，就是一项高难度研制工作了。而此次的北斗双星身上，新技术、新产品占到了卫星全部产品的近八成，创中国航天历史，创新难度可想而知。

　　这样高密度、高强度的创新绝不能依靠“随机”和 “碰巧”，而是需要极为严密的系统谋划和推进。这种“系统性”首先体现在顶层设计上。“十二五”以来，五院启动了“航天器元器件自主可控工程”，形成了覆盖未来5年需求的20类、近千项元器件型谱框架，建立起完备的决策、开发、应用验证评价体制。五院还成立了专门进行国产化管理的“指挥部”，编写《五院航天器元器件需求型谱建设框架》，从顶层明确了航天器元器件自主可控的路线图，细化实施步骤和策略。

　　系统创新还体现在技术体系的形成上。比如，经过前期北斗导航卫星的探索与实践，五院总装与环境工程部形成了整星批试验的技术体系，具备了完整的批试验技术流程，在国内首次实现了大型航天器批量化热试验，缩短了试验周期。这种技术体系，让北斗双星实现了国内首次中型卫星双星在同一容器内并行进行热平衡、热真空试验。

　　总装工艺师们发明了基于航天器装配仿真技术的虚拟装配方法，使关重设备安装及逆流程操作一次合格率100%，既省时省力，又能提前发现装配风险。他们发明的电磁兼容仿真系统，省去了做十几次试验才能验证一个设计的不便，不仅能快速仿真，还能直接生产各种数据，让设计师的设计工作更加得心应手，提升了创新效率。

　　“协同”也是系统创新的重要特点。五院“航天器元器件自主可控工程”与国内科研院所、高校组建创新“联合舰队”，开展了近百项元器件应用验证，牵引国内生产厂自主启动研制;在原子钟、行波管放大器、固态放大器等关键载荷产品的国产化研制中，五院积极联合国内科研院所、高校等20多家单位，协同开展关键技术攻关和产品研制工作，终于用6年时间实现了有效载荷部件的全部国产化。

　　谢军表示：“在此次北斗双星研制过程中，联合创新的模式取得了很好的效果。下一步，北斗团队将继续坚持这一成功做法，联合一切可以联合的力量，同中科院、哈工大等单位一同构建协同创新体系，加快推动北斗导航卫星国产化。”

　　北斗创新“开枝散叶”

　　北斗双星的创新技术能在多个产业、行业中进行推广，并为我国开辟出不少新兴科学领域。目前，围绕北斗的创新正不断“开枝散叶”，走近人们的身边

　　北斗双星的创新技术并非是仅用一次的“奢侈品”，而是能够走向经济社会多个领域的“大众品”。

　　中国航天科技集团公司五院北斗导航卫星系统总指挥迟军介绍，像北斗双星高性能芯片这样具有我国自主知识产权的产品还有很多，相关工艺和技术除了应用在北斗导航卫星研制中，还能在我国很多产业、行业中进行推广。比如，卫星上应用的星座可靠性分析、大规模集成电路空间应用等新技术，将显著促进我国结构材料、微处理计算机、电子技术等基础学科和工业的发展。

　　北斗导航双星“兄弟”还为我国开辟出不少新兴科学领域。迟军告诉记者，北斗导航卫星系统的研制，将带动航天器的总体设计、航天器动力学、航天器环境试验技术、空间数据系统、航天器数字化设计、航天器结构与机构、新兴材料科学等专业的快速发展，促进了导航星座时空基准建立与维持、导航信号生成与传输、空间微放电机理与抑制、原子物理应用等新专业的建立。

　　目前，围绕北斗的创新正不断“开枝散叶”，走近人们的身边。今年2月，西安市一位老人外出时遭遇抢劫，在陌生地被推倒后无法起身。情急之下，老人按动随身戴的“飞邻行踪宝”上的亲情号码键，家人通过行踪宝立即确定了老人的位置，半小时内赶到事发地点，解救了老人。这款“飞邻行踪宝”由中国航天科技集团公司五院所属中国卫星公司研制生产，是基于北斗导航定位技术深耕创新、“开枝散叶”的典型例子。

　　据了解，北斗系统自2012年12月面向亚太区域提供正式运行服务以来，已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、大地测量、救灾减灾、手机导航等领域。广东、上海、陕西、湖南等10余个省份已经开展或计划开展北斗应用示范项目，北斗系统已在高精度驾考、老人关爱、儿童安全定位等大众应用领域惠及民生。

　　五院相关专家表示，北斗卫星导航系统的民用开发需要听取社会各界的意见，要使北斗卫星导航系统屹立于世界卫星导航系统之林，取得话语权，必须充分发挥中国企业的作用。

　　“北斗系统可以做到与其他系统兼容。”谢军说。五院总体部的科研人员专门为北斗研制出星间链路系统方案和星间网络协议，在北斗双星“兄弟”身上安装了面向北斗全球系统的Ka频段相控阵天线及星间收发信机，让它们能与不同的研制单位以及国外导航系统实现交流互通。北斗导航卫星家族开放兼容的“家风”，将会吸引更多的创新客人。