2020年度科技人物

　　楊長(zhǎng)風(fēng)：北斗系統(tǒng)讓中國(guó)時(shí)空信息掌握在自己手中

　　《中國(guó)新聞周刊》記者/李明子

　　發(fā)于2020.12.14總第976期《中國(guó)新聞周刊》

　　當(dāng)外賣小哥穿越城市車流將食物從餐廳送到你的手上時(shí)，他的行動(dòng)軌跡會(huì)完整地記錄在外賣軟件的地圖上。“800米，600米，50米”，看著目標(biāo)越來(lái)越近，似乎能消解等待食物的焦慮。

　　現(xiàn)代生活對(duì)各種位置信息的需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的想象，智能終端內(nèi)置定位芯片無(wú)時(shí)無(wú)刻不在接收太空中導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)出的服務(wù)信號(hào)。而現(xiàn)在，在全球范圍內(nèi)的任意區(qū)域、任意時(shí)刻都可以同時(shí)觀測(cè)到8顆以上的中國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。

　　“高精度定位是北斗系統(tǒng)的一大特色。”北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計(jì)師楊長(zhǎng)風(fēng)介紹說(shuō)，目前公布的全球范圍定位精度是優(yōu)于10米，實(shí)測(cè)的定位精度2~3米。配合更強(qiáng)大的地基增強(qiáng)系統(tǒng)，可以提供毫米級(jí)、厘米級(jí)服務(wù)，廣泛服務(wù)無(wú)橋梁形變監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警等。

　　今年7月31日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，距離北斗一號(hào)工程立項(xiàng)已經(jīng)過(guò)去了26年。在具有戰(zhàn)略意義的領(lǐng)域，被其他國(guó)家實(shí)施技術(shù)封鎖，就會(huì)面臨“卡脖子”的困境，北斗系統(tǒng)始終堅(jiān)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(xiàng)關(guān)鍵核心技術(shù)，突破500余種器部件國(guó)產(chǎn)化研制，實(shí)現(xiàn)北斗三號(hào)衛(wèi)星核心器部件百分百國(guó)產(chǎn)化。

　　“作為國(guó)家重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，北斗系統(tǒng)的研制與建成，對(duì)我國(guó)時(shí)空信息安全具有重要意義。”楊長(zhǎng)風(fēng)對(duì)《中國(guó)新聞周刊》分析說(shuō)，“掌握了時(shí)間和空間，就控制了一個(gè)國(guó)家最重要的基礎(chǔ)信息。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是當(dāng)今最重要的定位導(dǎo)航授時(shí)手段，是信息化社會(huì)的重要基礎(chǔ)，關(guān)系到國(guó)家安全和個(gè)人隱私，一定要把握在自己手中，是絕對(duì)不能受制于人的。”

　　擺脫牽制

　　2014年10月，56歲的楊長(zhǎng)風(fēng)從85歲的孫家棟院士手里接過(guò)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程總設(shè)計(jì)師的擔(dān)子。當(dāng)時(shí)，他作為系統(tǒng)的副總設(shè)計(jì)師，全程參與了從北斗一號(hào)、北斗二號(hào)到北斗三號(hào)，共三代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的論證設(shè)計(jì)、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(jì)師后，楊長(zhǎng)風(fēng)仍“備感壓力”，頭發(fā)也在這幾年白了許多。當(dāng)時(shí)，我國(guó)已經(jīng)建成北斗二號(hào)區(qū)域系統(tǒng)，正在向北斗全球系統(tǒng)過(guò)渡，全球系統(tǒng)的新體制、新技術(shù)、新信號(hào)都需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　“說(shuō)白了，就是整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)度壓力。”楊長(zhǎng)風(fēng)介紹說(shuō)，按計(jì)劃，北斗三號(hào)系統(tǒng)到2018年要完成18顆北斗三號(hào)衛(wèi)星組網(wǎng)，全面覆蓋“一帶一路”國(guó)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(jiān)持核心器部件百分之百國(guó)產(chǎn)化、持續(xù)提升關(guān)鍵單機(jī)可靠性、衛(wèi)星工作壽命達(dá)到10~12年之久。要實(shí)現(xiàn)這一系列目標(biāo)，就要在衛(wèi)星升空之前，在地面做大量試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)間。

　　楊長(zhǎng)風(fēng)不是一個(gè)人在戰(zhàn)斗。實(shí)際上，在過(guò)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(hào)系統(tǒng)站在世界舞臺(tái)上與其他先進(jìn)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同臺(tái)競(jìng)技。時(shí)間回到1994年，美國(guó)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(guó)當(dāng)時(shí)還不具備這樣的實(shí)力。

　　早在1983年，為謀劃中國(guó)自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，“兩彈一星功勛獎(jiǎng)?wù)隆鲍@得者、中國(guó)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(shí)現(xiàn)區(qū)域定位。而美國(guó)GPS采用的是4星定位法，求解空間坐標(biāo)(X、Y、Z)和時(shí)間坐標(biāo)這4個(gè)未知量，需要4個(gè)方程，因此需要4顆衛(wèi)星的信號(hào)才能進(jìn)行定位。相比之下，“雙星定位”可以用較少的費(fèi)用、在短時(shí)間內(nèi)建成一個(gè)區(qū)域系統(tǒng)。為驗(yàn)證這一設(shè)想，陳芳允院士團(tuán)隊(duì)在1989年做了一次成功試驗(yàn)，精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)期。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的重要性在1990年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中得到了體現(xiàn)。當(dāng)時(shí)還在建設(shè)中的美國(guó)GPS首次被運(yùn)用到實(shí)戰(zhàn)，顯著提高了武器制導(dǎo)精度和打擊效果，美國(guó)甚至在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)總結(jié)報(bào)告中將獲勝歸結(jié)為“GPS的勝利”。

　　另?yè)?jù)中共上海市委黨校副教授時(shí)青昊撰文回顧，1993年7月，中國(guó)“銀河號(hào)”貨輪行駛至印度洋時(shí)，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(guó)內(nèi)專家聯(lián)名“上書”，建議啟動(dòng)中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)工程。

　　1994年，北斗一號(hào)系統(tǒng)工程正式立項(xiàng)。中國(guó)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(hào)系統(tǒng)(北斗衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng))并投入使用，為中國(guó)用戶提供服務(wù)；第二步，2012年建成北斗二號(hào)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(hào)系統(tǒng)，為全球用戶提供服務(wù)。

　　“北斗一號(hào)系統(tǒng)解決了我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有無(wú)的問(wèn)題。”楊長(zhǎng)風(fēng)曾這樣總結(jié)。2000年，兩顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星先后成功發(fā)射并組成北斗一號(hào)系統(tǒng)，中國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。

　　打個(gè)漂亮的翻身仗

　　然而，彼時(shí)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(guó)和俄羅斯占據(jù)。2000年4月17日，中國(guó)向國(guó)際電信聯(lián)盟提出頻段申請(qǐng)，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(qǐng)。國(guó)際電信聯(lián)盟批準(zhǔn)了一小段頻率供各國(guó)平等競(jìng)爭(zhēng)，使用規(guī)則是從申請(qǐng)日期開始計(jì)算，7年內(nèi)完成衛(wèi)星發(fā)射入軌和信號(hào)接收，“先用先得”，“逾期作廢”。

　　伽利略系統(tǒng)早中國(guó)北斗二號(hào)系統(tǒng)兩年啟動(dòng)，并于2005年12月發(fā)射了首顆試驗(yàn)衛(wèi)星，留給中國(guó)的時(shí)間越來(lái)越緊迫。

　　同時(shí)，北斗二號(hào)系統(tǒng)還要解決另一個(gè)難題。本打算從歐洲引進(jìn)核心器部件星載原子鐘，然而國(guó)際合作道路卻屢屢受限。這也堅(jiān)定了北斗人堅(jiān)持核心技術(shù)自主可控的決心，我國(guó)組織了3家單位同時(shí)著手攻關(guān)，終于攻克這項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)！讓中國(guó)星上搭載了“中國(guó)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(shí)間信息服務(wù)，高精度的時(shí)間基準(zhǔn)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(duì)整個(gè)工程成敗起著決定性作用，其重要性如同人的心臟。

　　楊長(zhǎng)風(fēng)說(shuō)，星載原子鐘的精度通俗指標(biāo)是十萬(wàn)年差一秒，而北斗三號(hào)衛(wèi)星搭載的星載原子鐘精度達(dá)到了三百萬(wàn)年差一秒。

　　2007年4月14日，全部測(cè)試通過(guò)準(zhǔn)備得當(dāng)?shù)谋倍范?hào)系統(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(shí)的最后關(guān)頭，地面收到了這顆衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)并得到了國(guó)際電聯(lián)的官方認(rèn)定，保住了中國(guó)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(hào)系統(tǒng)最大的挑戰(zhàn)則是實(shí)現(xiàn)星間鏈路。”楊長(zhǎng)風(fēng)介紹說(shuō)。國(guó)防科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)空間技術(shù)研究院分別組織隊(duì)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(guó)空間技術(shù)研究院研制的兩顆北斗三號(hào)試驗(yàn)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。“同時(shí)，星間鏈路也提高了定位精度。”楊長(zhǎng)風(fēng)對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說(shuō)。

　　推動(dòng)北斗應(yīng)用

　　2020年6月23日上午，北斗三號(hào)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(hào)系統(tǒng)全球星座部署圓滿完成。

　　北斗三號(hào)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(hào)相比，北斗三號(hào)系統(tǒng)的服務(wù)性能進(jìn)一步提升。在全球范圍內(nèi)，北斗三號(hào)衛(wèi)星分布更為均勻，全球任意區(qū)域任意時(shí)刻可見衛(wèi)星8顆以上，且星座可用性達(dá)到100%。北斗三號(hào)系統(tǒng)在提供基本定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)的基礎(chǔ)上，還提供了國(guó)際搜救、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、地基增強(qiáng)、區(qū)域大容量短報(bào)文、全球短報(bào)文等特色服務(wù)。

　　“北斗系統(tǒng)的短報(bào)文服務(wù)是國(guó)外其他任何一個(gè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)都不具備的。”楊長(zhǎng)風(fēng)介紹說(shuō)，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(hào)傳輸信息，實(shí)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(duì)就利用北斗短報(bào)文突破了通信盲點(diǎn)，向外界通報(bào)了災(zāi)情，供指揮部及時(shí)作出決策。

　　北斗系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展也實(shí)現(xiàn)了翻天覆地的變化。據(jù)了解，2020年上半年申請(qǐng)入網(wǎng)支持北斗定位的智能手機(jī)達(dá)到80%，中國(guó)北斗終端社會(huì)持有量從2012年的23萬(wàn)余臺(tái)/套猛增到2019年的超過(guò)7億臺(tái)/套。

　　2019年中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)總體產(chǎn)值達(dá)3450億元，北斗相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)出口120余個(gè)國(guó)家和地區(qū)，向億級(jí)以上用戶提供服務(wù)。隨著“北斗＋”和“＋北斗”應(yīng)用的深入推進(jìn)，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。”這也是楊長(zhǎng)風(fēng)一直以來(lái)積極推動(dòng)的工作。“北斗系統(tǒng)作為全球最先進(jìn)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(zhǎng)風(fēng)舉例介紹，目前我國(guó)基于北斗系統(tǒng)建成了世界上最大的車聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，已有近700萬(wàn)輛的道路營(yíng)運(yùn)車輛安裝了北斗終端。平臺(tái)服務(wù)以來(lái)，中國(guó)道路運(yùn)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(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、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(huì)上，楊長(zhǎng)風(fēng)在主旨演講中表示，“通過(guò)北斗和5G相互賦能，將有效突破單一系統(tǒng)的局限性，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外無(wú)縫高精度定位，將高精度服務(wù)從室外擴(kuò)展到室內(nèi)、地下室等遮蔽空間”，“未來(lái)高精度位置信息會(huì)像水、電和互聯(lián)網(wǎng)一樣深入服務(wù)公眾生活。”

　　《中國(guó)新聞周刊》2020年第46期

　　聲明：刊用《中國(guó)新聞周刊》稿件務(wù)經(jīng)書面授權(quán)