谢军:北斗三号“巨星天团”齐了
开讲啦(2020年7月4日)北斗三号卫星首席总设计师谢军
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6月23日，北斗三号“收官之星”在西昌卫星发射中心发射成功之后，卫星通过五次变轨，经历八天的长途跋涉，成功定点于距离地球三万六千公里的地球静止轨道。《开讲啦》邀请到航天科技集团五院北斗三号工程副总设计师、卫星首席总设计师，谢军，在《开讲啦》史上最大讲台——西昌卫星发射中心讲述 “收官之星”背后的故事。
不同于其他导航系统单一轨道的星座部署，北斗全球系统星座的的设计分布在三个轨道：三颗静止轨道的GEO 卫星，三颗倾斜同步轨道的IGSO卫星，二十四颗中远轨道的MEO卫星。这颗“收官之星”就是最后一个GEO卫星，它被亲切地称为“嚞”星，智慧的意思。那么，主持人撒贝宁的问题来了，北斗人会给卫星起名儿吗？谢总回答说，那是当然。北斗人把卫星当作自己的孩子，都非常有感情，GEO卫星个头最大，所以叫它“哥”，这三颗GEO卫星就分别称为“大哥、二哥、三哥”，那MEO卫星是质量最轻的，就被称为“妹”。
三十颗卫星组成的北斗三号的优异星座，不同于一般的卫星导航系统只提供导航定位和授时服务的功能，北斗还拥有更为全面的业务。短报文功能在汶川救援中发挥巨大作用，星基增强和精密单点定位服务让未来无人驾驶和智慧城市建设成为可能。而今年，珠峰高程测量，雷神山火神山的建设，北斗系统都发挥了巨大的作用。谢总说，北斗卫星导航系统的应用只取决于人们的想象力，人的想象力不开放，北斗的效益，也就无法得到发挥！
五十五颗北斗卫星环绕琼宇，是名符其实的“巨星天团”，这背后是北斗人二十六年来对百分百之百国产化的坚持，谢总说：“关键产品，关键技术，如果不掌握在自己手里，将像沙漠里头的高楼大厦，没有基础是不牢靠的。”测到一个细微的螺流参数的变化，他们坚决拒收耗时一年多努力奋斗的产品；观察到比瞬间还短的一纳秒的跳动，也绝不容忍。
一纳秒是什么概念？一纳秒是十的负九次方，比瞬间还短。假如一个时钟每天变化一纳秒的话，三百万年之后，时钟会累积变化一秒。谢总师说，高精度的卫星导航系统是无法容忍的一纳秒的偏差的，它会导致卫星基准零点三米的偏差，到地面就会变成二十米、三十米的偏差，这样精密的导航定位授时服务就无从谈起了。
即使在这样精益求精的极致追求下，北斗系统全球服务的实现比最初的预想足足提前了半年，这意味着北斗系统的业务从服务亚太拓展到服务全球，更是将原来大众用户十米的定位精度提升到优于五米，而毫米级的精确测量也根本不成问题。
“每一个国家在航天探索过程中都会遇到一些问题，您如何看待航天发展过程中的失利？”这是来自西昌卫星发射中心的一位青年分系统指挥员的提问。谢总认为，航天事业的每一次发射，每一次试验都是高风险的，今天成功了，稍微再有一些变化，它可能失败，成功是差一点失败，失败是差一点成功。在发射前，对卫星、火箭的所有数据，所有状态，都要认真地检查，才能做到发射结果，卫星在轨工作的万无一失。
一位青年代表提问，航天人是因为经常仰望星空的原因，所以都浪漫得不行吗，航天器的名字都跟神话有关。在谢总看来，这是人们要走向太空，实现自己梦想的一种寄托。我们要探月，月亮上就有嫦娥、玉兔，所以我们的探月工程叫“嫦娥”；要造为人类服务导航定位，告诉人们时间的，跟天上的北斗星座联系起来，就起名为“北斗”；有一颗卫星为了寻找暗物质，赋予它火眼金睛就叫“悟空”；还有“夸父计划”“天问一号” 等等……每一个名字都是隔着漫漫的岁月而来，有着只手摘星辰的豪情。
把这些国之重器发射到太空，让它们在太空中遨游，让古代人寄托在神话的梦想变成了现实，还有比这更浪漫的事情吗？
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我们为什么要研制北斗卫星导航系统？
各位观众，大家好，主持人小撒好，今天我站在西昌卫星发射中心，站在北斗三号最后一颗“收官之星”的发射塔架前，心情既激动又平静。激动在哪里？就是北斗系统从工程立项以来，大家一路走来，经过了艰辛万苦，度过了不知多少个不眠之夜，完成了北斗一号，北斗二号，一直到今天北斗三号的收官之战。平静的是呢，作为一名航天人，我深知航天事业，是一个高风险的事业，走到今天，前面的成功不代表着后面就没有风险，所以我们必须保持清醒的头脑。
北斗系统是我们国家独立自主，独立运行的一个卫星导航系统。它对国家的安全，国民经济的社会发展，人民生活是具有非常重要的意义的。为什么GPS在世界上应用的面非常广，中国人还要设计研制又花钱、技术又复杂的北斗卫星导航系统呢？
那么1993年，可能有的同志都知道，我们发生了一起叫作“银河号事件”。就是我们国家的商船“银河号”在公海航行的过程中，无故的GPS信号被中断，导致了在那儿搁浅了三周左右。所以作为中国来讲，我们是一个航天的大国，在发展航天项目的同时，必须要有自己安全独立的时频基准系统，一定要把非常重要的空间基础设施、卫星导航系统要搞上去。
世界上主要的航天国家都在规划和建设自己的卫星导航系统。不光美国有GPS，俄罗斯有格洛纳斯，欧洲也在建立他们的伽利略系统，日本和印度也分别在有这样的规划和行动。那么我们从北斗一号、北斗二号一步一步走过来，那么到了北斗三号，目标就更加明确了，一定要实现所有的产品百分之百的国产化。关键产品、关键技术，如果不掌握在自己手里，特别像北斗卫星导航系统这样一个非常重要的国家基础设施的话，那么将像沙漠里头的高楼大厦，没有基础是不牢靠的。
面对质量存疑的产品，该如何抉择？
万丈高楼平地起，整个国产化的工作也不是一蹴而就的。那么我想跟大家举个例子。在北斗二号卫星上头呢，我们还有一个为用户发播这个信号的非常重要的一个部件，叫行波管功率放大器。行波管功率放大器是什么呢？卫星处在三万六千公里和两万一千公里这么高的高度上，无线电信号要传播下来，那么它的衰减是非常大的。为了保证用户能够很好地接收到这个信号，必须把星上产生的导航信号要进行放大。
那么以前我们国家的行波管放大器都是采用的国外引进的产品。那么从北斗三号开始，我们开展了国产化的研制工作，在这个研制工作中间，应该说碰到了很多难题。碰到的第一个难题就是如何基于国内的工业基础、技术水平来定义我们系统上所要采用的行波管放大器的技术指标、技术参数。同时卫星又是一个长寿命、在轨不可维修的这样一个产品。所以我们如何把地面的工作做完之后，对它的质量、可靠性进行验证，验证的方法怎么制定，也是一个难题。
我记得我们组织多家单位强强联合，集智攻关。有一家单位最先地做出来了六台可以提交飞行的产品。在准备验收，检查产品测试和研制过程的数据包的过程中，我发现其中有一个参数，行波管的螺流，它实际上代表着是行波管工作状态下某一个的电流的参数。那么这个参数相对来讲比较大，且在某些工作的条件下也不稳定。到底对卫星的信号有哪些影响，对于卫星在轨长期的工作有多少影响，我自己和研制厂家都没有非常大的把握。但是从质量第一，不留隐患，坚持关键技术一定要突破才能上星的这样原则下，最后还是把六台放大器给拒收了。它拒收之后，实际上把我们整星的研制计划也给搁置了。那么拒收之后，我天天都心情都非常不安，那段时间里头，我自己是每天坚持要到厂家去进行讨论。那么实际上我们的一线的设计人员、调试人员是付出了两个多月，多重的回合，才将这个参数调整好。我们专门安排了可靠性专项的试验，对它进行了加速的十二年、十五年、十八年的考核，证明了改正后的产品是可以满足我们在轨工作寿命的要求。
目前北斗三号上已经有近二百台这样技术状态的行波管放大器在星上应用，那么最长的已经工作了五年。现在回想起来，如果当时不做决策，修改螺流参数的话，可能我们现在有些行波管放大器只能工作一年、两年就会性能降低，甚至是功能丧失。所以作为航天来讲，如何把握整个自己的产品的技术状态，如何地在技术和工业基础受限的情况下能够不断地突破、解决问题，确实是对我们的一个考验。
北斗人的概念中，不允许有一纳秒的偏差。
卫星导航系统是一个高精度的太空时间和位置的太空灯塔，那么高精度就体现在它的所有的一些自身的参数上，一定是稳定的，一定是准确的。那么我们在研制的过程中间，星上有一台非常重要的时频设备，产生时间和频率信号的这个设备。在测试过程中间，偶尔地会出现有一纳秒的这样一个跳动。一纳秒可能大家都知道，它是十的负九次方秒的这样一个概念。假如一个时钟它每天变化一纳秒的话，那么三百万年之后它就会累积变化一秒。所以这个一纳秒对我们日常生活来讲，可能比瞬间、比刹那还要短得多，但是对于高精度的卫星导航系统，它是无法容忍的。一纳秒对应的就是我整个卫星上头自身测量的一些参数，建立的基准就会有零点三米的偏差。而这个偏差再带到地面用户那儿，可能就无法保证我们系统设计要求的十米、六米的这样一个定位精度，可能就变成二十米、三十米了。特别是每颗星如果都有这样一个问题的话，那么整个系统的服务，就会大大地打折扣，更不要再谈我刚刚讲的北斗系统我们除了提供基本的导航服务以外，还要提供精密的导航定位授时的服务。所以为了解决这个问题应该说我们花了很大的力气去查找这个问题。那么经过反复地排查，最后发现实际上是由于我们地面测试设备的一些测试方法会导致这样子偶尔跳动一纳秒的问题。所以一纳秒这个事情，在我们整个北斗人的概念中间就是不容忽视，不允许有一纳秒的偏差。
北斗系统有什么特别之处？
我们中国的北斗，相对于国外的几个卫星导航系统，还是有许多独特之处的。那么从技术体系上来描述来讲，怎么看呢？在系统的设计上呢，我们实际上就是采用的空间星座，是跟美国GPS和其他几个卫星导航系统不一样的。美国的GPS它只有两万多公里的中远轨道的MEO卫星，我们中国的北斗同时还有在三万六千公里高度，GEO卫星和IGSO卫星，相对于地球的固定关系和相对的区域关系，所以它在形成区域的服务能力上是有巨大的优势的。一般的卫星导航系统它只提供导航定位和授时的服务，中国的北斗卫星相对于美国GPS卫星，有了更多的功能，像短报文、通信位置报告、还有星基增强等等。
特别是短报文和位置报告这种功能，在2008年我们国家发生的汶川地震的时候，得到了非常好的应用。大家都知道地震之后，所有的基础设施都被损坏，无电、无通信设备，我们的救援人员拿着我们北斗用户机以后，到了一个陌生的地点，他通过定位可以知道自己目前在的经度纬度，告诉调度指挥中心，同时他可以通过这个终端，告诉他所看到的受灾情况。那么北斗系统的精密单点定位和星基增强服务呢，它对整个智慧城市的建设，包括我们现在正在开发的自动驾驶、无人机送货等等方面得到广泛的应用。精密的导航定位，它的指标是什么呢？动态分米级，静态厘米级的这样服务精度。这样子我们车在车道上运行的时候，才不会发生交通的事故，前后之间的距离才能够精确地通过遥感的技术敏感出来，然后来进行控制。
北斗系统在各个领域得到了广泛的应用。
在北斗三号的技术和应用方面，我们的进步是非常明显的。那么雷神山、火神山的医院的建设，它的非常重要的一个工作，首先就是要把所有的定点位置的基准要测准。北斗系统具有这种覆盖性广，测试精度高的特点，所以可以很高效地把所有要打桩，要设置基建设备的地方测试出来，指导后续的建设工作。那么在五月份的我们珠峰测高的过程中间，应该说我国的北斗卫星导航系统和对应的终端也作为主用设备，作为主要的测量手段参加了珠穆拉玛峰2020年的测高项目。
北斗系统在各个领域，虽然得到了广泛的应用，但是我们离天上好用，地上用好，实际上还有很多工作要做。我希望大家能够更多地了解北斗，更好地使用北斗，北斗的使用应该取决于人的想象力，人的想象力不开放，我们北斗的效益，也就无法得到发挥。
北斗系统从1994年走来，应该说取得了很多的成果，大家也付出了很多。“收官之星”不代表着北斗工程的结束，而是整个工作，整个系统发展的一个新的节点。备份星的研制工作还是非常重要，摆在我们面前的一个任务。同时我们要面向用户，面向整个国家和全球经济发展的需求，开展新一代卫星导航技术的研究。我想，通过我们的努力，我们的北斗，一定会得到广泛的应用。
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节目每期有六位来自全国各届的青年代表,向演讲嘉宾提问互动,300位大学生作为观众现场分享这场有思考、有疑问、有价值观、有锋芒的思想碰撞。他们对人生有思考,对未来有疑问,他们思想新锐,观点先锋,是中国未来的中坚力量。每期演讲嘉宾选择的主题,均为当下年轻人心中的问号,讲述青年最关心、最困惑的话题。这是中国最具青年公益的节目,千名青年学子,百回思想交锋,聆听思想的声音!