科学|最强“大脑”最稳“心脏”最精“量天尺”上海科研人为北斗“导航”
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图说：中国科学院上海天文台60厘米激光测距望远镜 上海天文台供图（下同）
北斗挂天河 ， 星光耀霄汉 。7月31日 ， 北斗三号全球卫星导航系统正式开通 。北斗卫星导航系统从立项论证到启动实施 ， 从双星定位到区域组网 ， 再到覆盖全球 ， 几代北斗人接续奋斗 ， 建成了我国迄今为止规模最大、覆盖范围最广、服务性能最高、与百姓关联最紧密的航天系统 。
北斗在天上为我们导航 ， 那谁来为北斗“导航”呢？导航需要定位 ， 也就离不开时空基准做参考 。“中国科学院上海天文台北斗导航系统研制团队为北斗导航系统时空基准的精确建立和维持提供关键技术支持 。”周善石副研究员告诉采访人员 ， “我们承研的信息处理系统被称为卫星导航系统的‘大脑’ ， 利用多源测量数据实现北斗全球导航电文的实时生成；承研的时间频率系统及其组成的星载和地面氢原子钟被称为导航卫星的‘心脏’ ， 负责提供北斗时间频率标准；而激光测距分系统相当于卫星导航系统的‘量天尺’ ， 负责精准判断北斗卫星轨道误差 。”
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图说：被动型星载氢原子钟
“最强大脑”值得信赖
如何获取卫星的位置信息和星上的准确时间？这个问题充满挑战 。北斗是国际上首个由混合星座构成的卫星导航系统 ， 由地球静止轨道、倾斜地球同步轨道和中圆地球轨道三种轨道卫星组成 。虽然这有利于在短时间内快速建立我们自己的星座 ， 但对卫星位置的获取带来了难度 ， 也给精密的轨道确定和信息处理带来了挑战 。“我国目前的地面监测网是区域性的 ， 没有形成全球分布 ， 对卫星轨道的测量不够全面 ， 但要提供全球服务 ， 这对于数据处理来说还是挺难的 。”
为了保证导航卫星时空信息的精确性和稳定性 ， 上海天文台科研人员依托于在天体测量与天体力学、精密时间频率标准等优势学科数十年的科研积累 ， 从“零”到“有” ， 大到方案设计 ， 小到计算公式 ， 都一再反复推算和检验 ， 最终解决了大运算量数据整理、编辑、计算、存储、发送的计算机软硬件集成 ， 统一调度稳定运行等信息处理构架等关键技术难题 。
“面对区域地面布站等不利条件 ， 我们发展了不通过地面布站的技术 ， 首次提出并实现了区域监测网+星间链路的星地星间联合精密定轨技术 ， 并特别设计了联合定轨数据处理算法的稳健性和容错性 。”周善石介绍 。
上海天文台研发的信息处理系统就像北斗的“最强大脑” ， 能实时修正误差 ， 多备份 ， 以保持高可靠度 ， 空间信号精度与GPS相当 ， 优于0.5米 ， 全球定位精度为2.5米至5米 。周善石兴奋地表示 ， 团队是从2017年开始研发这套系统的 ， 三年完成任务时间非常紧张 ， 尤其要保证许多高可靠性的要求 ， 但看到北斗正式开通 ， 大家内心还是无比激动 。
“心脏”“量天尺”各显所能
据介绍 ， 由于采用光速传输的电磁波信号进行测距 ， 十亿分之一秒（1纳秒）的时间误差就会导致0.3米的距离误差 ， 因此精准的时间尤为重要 。和其他三大全球导航系统的卫星一样 ， 北斗也配置了高性能原子钟 。星载原子钟为卫星系统提供了高稳定的时间频率基准信号 。因为它不间断稳定地如同心脏的跳动 ， 被称为导航卫星的“心脏” 。
在北斗三号卫星系统工程建设中 ， 上海天文台完成了多台星载氢原子钟正样产品的研制及交付 ， 并随卫星发射入轨 。“最后一颗入网的北斗三号卫星 ， 就搭载了团队研制的星载氢钟 。”周善石自豪地说 ， “我们采用国产元器件和原材料 ， 成功研制星载氢钟核心部件 ， 实现了星载氢钟核心技术和器部件自主可控 。”
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