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探秘中国北斗卫星导航定位系统

2010-12-31 09:02:42 来源: 中国新闻周刊  跟贴 0 手机看新闻

中国新闻周刊封面:北斗记。

中国新闻周刊封面:北斗记。

2010年1月16日下午,星箭在发射前进行测试。

2010年1月16日下午,星箭在发射前进行测试。

2010年11月16日,第八届中国国际航空航天博览会在广东珠海市开幕,代表“北斗导航”工程的天地一体卫星运行沙盘在展会上亮相。

2010年11月16日,第八届中国国际航空航天博览会在广东珠海市开幕,代表“北斗导航”工程的天地一体卫星运行沙盘在展会上亮相。

2010年12月17日,第7颗北斗导航卫星发射前的星箭对接。12月18日,第7颗北斗导航卫星成功进入太空。

2010年12月17日,第7颗北斗导航卫星发射前的星箭对接。12月18日,第7颗北斗导航卫星成功进入太空。

北斗记

——探秘中国北斗卫星导航定位系统

约四十年前,美国军方开始了被称作“全球定位系统”(GPS)的研制。现在,在我们头顶上空约2万公里处的中地球轨道,GPS系统部署了24颗卫星,地面站对这些卫星的信息数据进行捕捉、处理、解码,并将有关信息发至用户终端机——这样,GPS给全球提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。

如今,GPS在我们生活中已然不可或缺——飞机、汽车、船舶用它来导航;公安、金融、消防部门用它来监控、报警;而不少路痴朋友们驾车出行,也往往得有它来壮胆伴行……

在GPS占领95%中国卫星导航定位市场的今天,一种想象不免令人时常不安——假如在关键时刻美国人关掉GPS,或者在上面“动点手脚”,我们的战略武器怎么办?我们的飞机怎么办?我们的路痴们怎么办?事实上,这已经不只是想象与担心,而是已有先例可循——1996年台湾海峡局势紧张的时候,中国军队的一次大规模军事演习便曾受到过GPS信号中断的干扰。

基于上述担心,世界各大国与国家集团开始考虑对策,由此诞生了俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略等等卫星导航定位系统。从上世纪80年代末开始,未雨绸缪的中国科学家们也开始致力于研制中国自己的“GPS”。当时,经济基础薄弱的中国,太空梦想还很微小和低调。这个被命名为“北斗”的计划,诞生之初并未着眼于全球。

最初,中国科学家陈芳允提出了与GPS不同的双星定位理论,用以解决在资金困难时期构建宏大系统的难题。北斗这一宏伟计划,就这样在总参测绘局招待所三层一间狭小的办公室里悄悄开始了。凭着中国人探索精神与务实态度,北斗计划历经周折,厚积薄发,终于,在2000年,第一颗北斗试验卫星得以发射进入太空轨道。

时至今日,北斗系统已经成功发射了7颗卫星,梦想也在逐渐丰满壮大。根据当前的计划,北斗系统预计到2012年共发射12颗工作卫星,完成服务范围覆盖亚太地区的目标;到了2020年,北斗将发射5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星,成为一个向全球提供服务的卫星导航系统。

从当初的“最高机密”,到今日向民用市场推广,北斗计划已经走过了二十多年,而它的故事依然鲜有人知。近日,《中国新闻周刊》独家采访了北斗计划最初的参与者以及核心科学家团队,揭开它的神秘面纱。围绕这个宏大的太空计划,我们向读者讲述北斗团队的传奇故事,解析它在军事和民用领域的价值,同时也呈现它所面对的优美与忧患并存的前景。

北斗前传

从北京北三环一个普通招待所三楼那个简陋狭小的“游击队”办公室,到今日浩瀚宇宙中七颗北斗导航卫星,北斗计划见证了中国航天事业的理想与挫折,艰辛与荣耀

本刊记者/杨时

71岁的卜庆君有一个半旧的本子。他小心翼翼地翻开,拿出夹着的一页报纸,“你看看这是不是美国和中国谈判的那一篇?”如果不戴眼镜,年逾古稀的卜庆君没办法看清报纸上的文字,但是凭借着剪报的形状,他依旧记得上面的内容。

这些剪报都是关于北斗导航卫星的报道,从新卫星发射成功到中美谈判,他都一一剪下,珍藏起来。

四分之一个世纪之前,中国的科学家开始研制中国自己的卫星导航系统。后来,这个由中国自主研发的导航系统被命名为“北斗”。这一计划从最初的“最高机密”,直到如今逐步推广为民用,已经走过了20多年。曾经的主力科学家已经成为白发苍苍的院士,北斗系统的理论创始人也已经故去。

在这20多年中,卜庆君从中国人民解放军一位参谋成长为总参谋部测绘局局长,再成为现在的退休老人。作为项目创始人之一,他对于20多年前的事情记忆犹新。

1985年,卜庆君受邀参加了在华盛顿举办的“GPS全球定位系统国际运用研讨会”。

“那个会议是在1985年的4月15日到18日。”尽管已经过去二十多年,卜庆君依然清楚记得具体日期。出发之前,学天文大地专业的卜庆君已经了解GPS的功用和发展情况。但是,外国专家在会议上的发言却让卜庆君提高了警惕。

美国的GPS系统诞生于1973年, 由美国国防部组织研发。在那次研讨会上,除了介绍GPS的前景和用途,美国军方告诉与会者,GPS的编码分为军用和民用两种。在特殊情况下,为了保证国家安全,军方会采取三种措施应对紧急状况:第一,降低对方的导航精度;第二,随时变换编码;第三,进行区域性管理。也就是说,通过以上三种方式,美国军方可以限制国内外用户对GPS的使用。

“这些都是在会议上公开说的。我了解这些之后,就觉得如果我们依靠这个,那我们不是要受制于人吗。”卜庆君对《中国新闻周刊》记者回忆。

根据掌握的情况,卜庆君撰写了一份报告,其中写道,“对于GPS的发展和应用要跟踪研究,与此同时要发展中国自己的卫星导航系统。”

但这只是一个梦想,具体怎样开展研究,毫无头绪。

就在同一个月,卜庆君受邀参加了另外一个学术研讨会。中国科学家陈芳允在会议上作了一个在当时听来十分新颖的演讲——“利用两颗卫星就可以解决地面定位问题”,后来被归纳为“双星定位”。卜庆君在会场里坐着,突然意识到这似乎可以用来开展中国导航系统的研究。他找到时任国防科工委副主任沈荣骏,讲述了自己的想法。两人一拍即合。

得到鼓励的卜庆君直接去往陈芳允家里。在说明自己的来意之后,陈芳允告诉他,“其实我们自己已经研究了两年。”作为著名的电子学专家,陈芳允和其他同事两年来的研究成为了日后“北斗计划”的奠基理论。

在初次沟通之后,陈芳允开始为卜庆君介绍对此理论有所研究的科学家。他们在北京黄寺附近的一家宾馆组织了一次理论说明会。“大家都觉得可以,我们就决定开始筹备可行性论证。”卜庆君说。

第二年3月,卜庆君起草报告请求国家启动双星定位系统的研究。一个月后,由国家主管部门召开了可行性论证会。“参加会议的人还真不少。铁道部、电信局、交通部、林业局都去了。”卜庆君语气一转,“但是,支持的很少,还是泼冷水的多。”

人们提出了三个质疑:第一,既然有GPS,为什么我们还要搞这个双星定位?第二,我们的技术水平能否达到?第三,我们有没有这个经济实力?

“大家说的确实都是现实问题。从这开始到后来的很多次讨论,都有不同意见。现在回头想想,我很感谢这些意见,让我们必须很谨慎。”卜庆君说。

与会者的质疑并非没有道理。美国GPS系统自1973年开始研发,已经耗费上百亿美金,并且承诺向全球提供服务。而此时的中国,走出文革尚不足十年,国民经济仍在困顿之中,人力物力奇缺。

会议进行了热烈甚至是激烈的讨论、争辩,最终,众人从国家战略和特殊时期国家安全的角度,认识到自主研发导航系统的重要性,以及卫星测量手段对国防建设、科研建设的重要意义。很快,参与研发的团队列出了17项重大原始试验专项。

在这之后,从1986年直至1994年的八年时间里,这些科学家一直埋头于理论的推演和专项实验。

卫星对于大多数普通人来说充满神秘。

“其实卫星就相当于以前打仗时候的消息树。在一个高地上种棵树,有日本鬼子来了,人们就把那棵树拽倒,另外一边的人就都能看见了。”北斗导航系统工程总师、被誉为中国“卫星之父”的科学家孙家栋对《中国新闻周刊》记者说,“这就是信息传递。卫星另外还有两个功能,即信息获取和导航。”

卫星导航是这些用途中最为复杂的问题。根据科学家的计算,如果围绕着地球发射24颗卫星,形成三个不同的轨道面,编织成一个网络,那么无论何时何地,人们都能同时看到四颗星。美国GPS系统的研发就是依据这个原理。

而与此不同,中国科学家陈芳允所提出的双星定位,是只用两颗卫星即可完成最基本的定位功能。“这是根据中国自己的需求和经济实力设定的,”孙家栋说,“当时的中国刚刚改革开放,经济实力不够。而且,当时也不需要设计出针对全球的系统。”

于是,科学家们开始致力于研究只用于中国本土的卫星导航系统。自从1986年的会议上人们达成一致之后,导航项目的研究就开始各自向不同部门申请科研经费。然而,北斗计划的正式立项,一直等到1994年。

1994年,所有的前期论证工作基本完成,专家团开始撰写立项申请。因为测量就是定位方向,这个中国的导航计划被命名为“北斗”。

立项工作并非一帆风顺。

遇到的第一个阻力,是从研发之初就困扰着科学家们的经费问题。1995年,有关部门向国务院汇报北斗计划。国务院当时对此计划作出了批示。“批示说,这个计划很重要,但也说钱可能没那么多,是不是可以考虑先搞预研。”卜庆君对《中国新闻周刊》记者回忆。

所谓预研,是指国家划拨少量款项进行尝试性预先研究工作,而并不能提供充裕资金保证项目的完成。

得知这一指示后,卜庆君坐不住了。当天晚上,他给国家主管部门领导打了一个电话。在电话里,他恳切地说,“咱们可不能再搞预研,这个项目已经走到这一步了,如果搞预研就等于把这个项目毁了。”

王统业这位领导在电话里劝他不要着急。两天之后的领导例会上,他将卜庆君在电话里的想法说给大家,大家商议之后觉得还是应该尽力申请正式立项。

彼时,中国另外两个卫星计划已经确定,两个计划分别有一颗备份星指标。经过商议,大家决定将前两个计划的备份星指标分给北斗计划使用。“我们和两个卫星计划团队多次商议,如果你们打(卫星)成功了,备份星就不需要了。打不成,你们还得继续找问题呀。所以,就先给我们用好了。”中国卫星导航的开拓者和奠基人之一、北斗计划工程副总师谭述森笑着对《中国新闻周刊》记者回忆说。

这样的腾挪就使得北斗计划的最初立项不再需要单独划拨资金,这个新生的卫星导航计划终于得以正式立项。此时,美国的GPS系统已经走过快二十年,整体系统已经完成布网,正式开始向全球提供服务。而俄罗斯自己研制的格洛纳斯导航系统已在建设当中。

问题接踵而至。

从1985年进行论证开始,中国航天科技集团五院就一直担任着北斗计划中卫星方面的设计工作。而当北斗计划正式立项之后,正巧赶上航天飞船“神舟”计划开始上马。这样一来,任务一下子加重。在此背景下,相关部门希望将北斗计划的工作迁往上海。

而如果迁往上海,研究工作基本需要重头再来。

“这也是1995年下半年的事。这一年啊……”回忆起那一段往事,很多当事者都不免叹口气。当时,这个调整并未与总参测绘局商议。卜庆君知道之后,直接给时任解放军副总参谋长曹刚川的秘书打了一个电话,“你跟曹副总长汇报一下,不能答应这个调整,要不就把计划毁了。”之后,卜庆君又直接找到曹刚川,陈述迁址之弊,争取首长的理解支持。

迁往上海的计划最终没有实施。此时,相关专家已经陆续被调往北京。但是,这些研究浩瀚宇宙的科学家甚至没有一间合适的办公室。“当时房子很紧,来了人都是打游击。”北斗系统副总设计师谭述森说。北斗计划最初的办公室,就设立在总参测绘局招待所的三楼。

“连我现在这办公室的一半大小都没有。”谭述森指着自己40平米的房间说。他到任的时候,办公室一共五个人,狭小的空间内只能将就容下办公桌。

匮乏的不只是办公设施,还有人才。卜庆君曾经与哈尔滨工业大学的校长商量,希望对方能为北斗计划提供几个博士生。对方十分爽快,“你去挑人,他们愿意去,我就放人。”卜庆君赶紧派人到哈工大,每个前来应聘的博士生都会问两个问题,“待遇多少?能解决住房吗?”

而就在他们与博士生洽谈的同时,广东一家企业前来招聘,待遇是月薪五千,另提供一套住房。一个月之后,卜庆君的部下一个博士生都没有招到,只有四五个本科生愿意前往北京。

领导觉得必须解决住房问题,不然没有办法吸引人才。于是,一方面开始着手盖宿舍楼,另一方面开始跑到北京市规划局,提出建立北斗计划总站需要用地。规划局很大方地表示,“你们是保密单位。顺义那边要哪块,我们来安排。”主管领导表示太远,不满意。对方又说,“那就沙河以北,哪块都可以。”

“我们要上地。”

“其实我早就都看过了,就选好了上地。”如今,卜庆君对《中国新闻周刊》记者笑呵呵地回忆。但是,上地附近已经完成了规划,无法更改。卜庆君就与位于上地附近的航天城的负责人协调,在共用水电的情况下,划拨出了附近的两块土地作为工作区和生活区。

记得那是1997年1月16日,距离春节还有三天,北斗地面中心的基建经费也最终敲定。

就在决策指挥层为这个项目奔忙的同时,北斗研发团队的科学家也一直在进行着自己的工作。他们为自己定出的目标是“保八争七” ——第一颗卫星的发射时间保证在1998年,争取提前到1997年。

但是一切远比设想的要复杂。

由于北斗系统的奠基理论为双星定位,那么地面上的第三个点就需要有精确的地面高程,即地面高低分布的精确数据。对于科学家来说,这个高程数据是一个极为庞大的数字化工程。“我们有三十年海量的测绘资料,但这些资料都是纸质的,必须全部数字化。”总参测绘局一位资深专家回忆说,“这就需要功能强大的计算机。但那个时候,拥有这样的计算机都很困难。”

在总参测绘局局长袁树友少将的记忆中,这项庞大的数字化工程是从1996年开始的。“那时候咱们的银河计算机也满足不了需求,专家还是建议购买国外的设备。”袁树友对《中国新闻周刊》记者说。最终,巨型计算机引入了北斗计划。

在北斗系统筹备之初,这些早已熟悉GPS的科学家为自己提出要求。“导航精度要高,要有自己的创新。”北斗系统副总设计师谭述森说。他所指的创新,是指北斗系统独有的、GPS不具备的短报文通信功能。

“这120个字的短信功能有时候非常重要,用户之间可以互相联系。比如汶川地震的时候,所有通信都断了,救援队就依靠这个功能。”一位院士专家如实对《中国新闻周刊》说。

除此之外,科学家们还制定了导航反应的标准,在5秒之内必须有所反馈。“其实5秒都会觉得时间长,咱们必须从用户的角度出发。如果过了几分钟没有导航显示,那你肯定认为这机器坏了。所以从一开始,我们这制定了5秒的标准。”谭述森说。

为了达到这些标准,北斗卫星发射时间推迟了两年。直到2000年10月,北斗导航系统的第一颗卫星才正式送入轨道。而在此六个月之前,北斗系统的理论奠基人陈芳允已经因病去世。

“他去世的时候,我去他家了。唉……”卜庆君老人叹了口气。陈芳允最终没能看到自己的理论成为现实。

时隔两月,第二颗卫星成功发射。此刻,从提出理论,到发射卫星上天,北斗计划已经走过15年。

在最初的双星定位理念实现的同时,北斗总师孙家栋开始把自己的担忧摆上桌面。“当时就担心如果两颗星当中有一颗坏了怎么办。我就觉得这个问题很为难,无论如何也得向领导汇报。”孙家栋对《中国新闻周刊》记者回忆。于是,经过申请,又补发了两颗备份星。而在一切都看似顺利推进的时候,麻烦再次降临。北斗一期和二期之间衔接的一颗卫星发射成功之后突然全部断电,完全报废。为此,研究团队紧急制定了一个名为“泰山计划”的方案,这样的工作一直持续到当年年底,以保证北斗计划一期和二期的顺利交接。

2003年12月开始,北斗系统正式开通开始向国内用户提供服务。作为测量技术手段,虽然目前北斗系统的应用还远不如GPS一样完善,但以往一直依赖于GPS授时、导航的用户,开始多了一种选择——而这从长远来说,无论是从国家战略层面,还是在经济利益层面,都具有重要意义。

2007年2月,北斗二代论证会召开,已经退休的很多领导仍到会参加。会议上,专家评估后宣布,当12颗卫星布网完成后,北斗系统的年产值可能达到500亿。

如今,中国军队的导航和授时方式已经逐步由GPS向北斗转换,而金融、电力、渔政和森林防火等民间领域也逐渐尝试使用北斗系统。2010年12月18日,北斗系统成功发射了第七颗卫星。目前,北斗系统进入了卫星发射布网的高峰期。按计划,到2020年,北斗将与GPS一样,成为一个向全球提供服务的卫星导航系统。为人类贡献了“司南”的中华民族,通过北斗计划,进入了定位和授时的宇航时代。 ★

(实习生 蒙佳 刘艳平对本文亦有贡献)

(本文来源:中国新闻周刊 ) 胡彦
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