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2019-12-30

  中国北斗想与GPS一决高下

  大国重器北斗三号是怎样炼成

  任何一个大国重器的诞生似乎都避免不了与发达国家同类产品拼力比试、同台竞争甚至“掰手腕”的命运作为要走进寻常百姓家的导航利器北斗更是如此。11月5日晚我国最新一代导航卫星北斗三号首次发射后人们便迫不及待想知道走向全球的中国北斗究竟能否与GPS一决高下。

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  11月5日中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式成功发射第24颗、第25颗北斗导航卫星开启北斗卫星导航系统全球组网新时代。中新社发王玉磊 摄

  这可能也是航天活动不近人情的地方在最抓眼球的火箭点火、呼啸苍穹之后人们的好奇心大多留给了“火箭发射有多厉害”“飞天卫星有什么用”等问题至于其背后技术含量、研制人员辛劳程度则鲜有问津。不过这一点并不完全适用于北斗因为要真正说清楚它与GPS的区别一些技术细节甚至是技术路线问题是绕不开的。

  毕竟中国北斗比GPS起步晚了20多年不仅没能与后者站在同一条起跑线就是在之后的追赶过程中也不能说完全跻身到了同一个赛道上。以导航系统的地面站建设为例美国打造GPS可以在全世界“布点设站”而中国囿于种种原因只能在“天上”想办法攻坚卫星之间、星座之间的链路技术。

  这正应了人们常说的那句 “既是挑战也是机遇”。太空是个大舞台在这个舞台上亮相的各种卫星扮演着生旦净末丑不同的“角色”但是无论什么样的角色都有其基本功以及独门手艺北斗也不例外。中国青年报·中青在线记者就此采访有关专家揭秘走向全球的中国北斗究竟是怎样炼成的。

  “大脑”:数十颗北斗卫星“天上漂”如何不擅离职守?

  作为北斗三号卫星的打造者中国航天科技集团五院的专家给出过这样一个比方——

  假如把卫星类比成人的话那么卫星的控制系统就相当于人的“大脑与神经组织”指挥肢体完成各种工作;卫星推进系统相当于人的“肌肉组织”推动肢体完成各种工作;而能源系统相当于人的“血液循环组织”为大脑与肢体提供能量。

  而为整个卫星提供时间基准、维持时间准确性的守时设备——原子钟则相当于人的“心脏”可谓“没有原子钟就没有全球导航”。卫星之间的链路技术相当于人的“灵魂”让人与人远差距之间也能够相互感应彼此惦记做到“心有灵犀”。

  先说“大脑与神经组织”。这关乎不少人的一个疑问即“数十颗北斗卫星同时在天上漂他们如何做到不擅离职守?”

  答案是他们非常“自律”知道自我该待在什么地方。而这种“自律”就得益于被称作卫星“大脑与神经组织”的控制系统。

  按照中国航天科技集团五院北斗三号副总设计师高益军的说法控制系统就是卫星在天上保持正确轨道、正确姿态的“总指挥”它实时搜集卫星的轨道与姿态信息一旦发现有所偏离就指挥自我回到正常状态。

  高益军说有了这个北斗三号的控制分系统就相当于增加卫星“至少60天”的完全自主运行能力。这意味着一旦地面测控站出现故障期间北斗卫星仍能够正常在轨工作。

  “这样大大减少了对地面站的依赖成就‘可视’范围外对卫星的控制。并大大降低系统的运行管理成本当然这也给卫星控制系统的设计与实现带来了很大的难度。”高益军说。

  值得一提的是此次北斗三号研制任务中控制系统国产化单机达100%分系统国产化元器件占90%以上——这是高益军透露的一组数据。他说:“控制系统里没有一台进口产品。”

  至于卫星的“血液循环组织”有一个重要的组成部分名为“二次电源”它将卫星上一次太阳能或电池的电能进行转换并通过星上线缆网——相当于卫星的“血管系统”输送到各种电子设备。

  按照中国航天科技集团五院510所专家的说法电子设备有什么样的口味他们就有什么样的“电能菜谱”让卫星电子设备“大快朵颐”来完成在太空中的表演。

  “心脏”:精确定位的前提是一只“300万年1秒误差”的钟

  不少人谈及北斗、GPS等卫星导航系统第一个疑问就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我们的位置又怎么能如此精准地‘指引’我们的方向?”

  这就不得不提到被称作卫星“心脏”的原子钟导航系统几乎都是依靠它来“掌握”时间的精度。北斗卫星导航系统总设计师杨长风说时间精度就是卫星导航的“命门”天地间时间越同步、误差越小定位精度越高。

  然而在北斗导航卫星发展初期我国并不具备研制生产星载原子钟的能力。杨长风说过去只有少数国家能够制造卫星导航系统使用的高精度原子钟但对我国实行严格限制甚至直接禁运“这才倒逼我们研制能够上星的原子钟”。

  直到北斗二号建设时他国垄断才被彻底打破。如今北斗三号建设大幕拉开我们也迎来了最新一代原子钟——“铷原子钟”。

  所谓“铷原子钟”是以铷原子跃迁为物理基础建立的一套极度精密的电子设备简称“铷钟”。其稳定度直接关乎导航卫星的定位、测速与授时功能的精度甚至可以说直接确定着导航卫星的成败。

  杨长风说北斗三号所配备的铷钟其稳定度达到E-14量级“这相当于300万年只有1秒误差”。

  中国航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师王平说这一技术进步直接推动了我国全球导航系统定位精度由之前“区域系统”的10米跨越到后续“全球系统”米级分辨率测速与授时精度同步提高一个量级。

  五院原子频标领域首席专家贺玉玲博士透露当前中国航天科技集团五院西安分院正在研制甚高精度铷原子钟争取未来将导航卫星的定位精度、授时精度再提高一个量级届时这种追求精度极致的探索或将带动新兴产业与新兴社会应用的出现。

  “灵魂”:离“天地之间万物互联”不远了

  当然只有一颗卫星不足以称之为系统。我们常说的北斗是中国北斗卫星导航系统的简称不是指一颗卫星以北斗三号这一代为例按照计划要到2020年完成30多颗组网卫星发射才能构成全球卫星导航系统实现所谓的全球服务能力。

  另一个容易被忽略的细节是除了空间段这30多颗卫星整个北斗系统还包括地面段与用户段前者有地面基准站后者有用户终端。

  这就引出一个问题即我国很难像GPS那样在全球大范围建立地面站为解决境外卫星的数据传输通道似乎只能从“星间链路”下手——在卫星之间搭建的通信测量链路实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。

  这就是说虽然我们“看不见”处在地球另一面的北斗卫星但通过北斗卫星的星间链路同样能与它们取得联系。

  五院西安分院北斗导航副总设计师张立新说星间链路技术就好比让北斗三号“太空兄弟手拉手”不仅相互间通信与数据传输还能相互测距自动“保持队形”可以减轻地面管理维护压力。

  当然星间链路并非只是“地面站难以大范围建设”的权宜之计也是掌握着“主动出击”“自主导航”的关键。

  所谓自主导航就是指“即使地面站全部失效30多颗北斗导航卫星也能通过星间链路提供精准定位与授时地面用户通过手机等终端仍旧能进行定位及导航”。

  张立新说因为北斗导航卫星的地面站较少地面系统的全球连续完好性监测与实时告警的时间一般需要“数十秒到几小时”而卫星上的直接监测预警仅仅需要几秒钟的时间。

  在他看来卫星自主完好性监测是北斗三号的一项新技术相较于美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯以及欧洲的伽利略等导航卫星系统中国北斗在世界上首次实现了卫星的在轨完好性自主监测功能。

  此外北斗三号的星间链路系统还能与其他类型卫星相关联联网的数量可达上百颗。张立新说:“这对于构建我国的天基综合信息网实现我国卫星之间联网具有不可小觑的作用。”

  他以遥感卫星为例遥感卫星对全球的地面进行测绘但只有卫星经过国土境内时才能将其收集到的图片信息传回地面而在天基综合信息网中遥感卫星就能够以北斗导航卫星的星间链路为“通道”实现信息的实时传输互通天地信息。

  如此也就离我们所说的“天地之间万物互联”不远了。记者 邱晨辉

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  寻找陨石的科研人员在用手机定位

  香格里拉陨石“争夺战”

  “陨石猎人”、天文爱好者、科研人员各路人马集结 都希望最先找到坠落的“火流星”

  10月4日地球发生一起“火流星”坠落事件撞击地点为中国香格里拉县城西北40公里处。在此之后来自全国各地甚至其他国家的陨石爱好者集聚香格里拉搜索陨石。

  在这一批批寻找者中除了专业机构的科研人员也不乏普通爱好者、“猎人”、投机者。越野车、GPS、金属探测器、无人机……这些装备全都派上了用场。但截至目前尚未有机构或个人证实已找到中秋夜空爆炸的陨石。

  “火流星”坠落香格里拉

  据NASA(美国国家航空航天局)消息北京时间2017年10月4日20时07分05秒地球发生一次小行星撞击事件撞击地点为我国云南香格里拉县城西北40公里处爆炸当量相当于540吨TNT。小行星相对地球的速度为14.6千米/秒因为空爆高度只有37公里很可能有未燃尽的陨石落到地面。

  事发当晚有云南网友拍到了疑似陨石坠落的视频一颗小小的星状光点体斜着向下滑落随后光点骤然变大呈球体在短短的几秒钟内将夜空照亮如同白昼。

  据媒体报道疑似陨石坠落事件发生次日下午香格里拉市政府宣传部的一名工作人员表示当地政府第一时间已下发通知安排距事发地较近的五境乡及尼西乡等两个乡镇与村社的工作人员在各自管辖村镇中询问村民是否有人看到掉落陨石以便收集做科研之用但目前暂未找到掉落的陨石。

  这名工作人员还表示根据目击村民描述陨石同样可能掉落在德钦县、维西傈僳族自治县境内目前这两个县也在安排工作人员寻找陨石的下落。

  除了政府行动“陨石猎人”、天文爱好者、科考人员等各路人马也在集结。他们从全国各地出发汇聚在香格里拉及附近的乡镇村落按照各自推演的路线踏上了寻找陨石之路。

  四面八方而来的寻宝者

  在一篇发布在论坛上名为〖现实版的盗墓笔记在香格里拉上演各方势力都在争夺神秘陨石〗的文章中作者刘杰文描述了他搜寻陨石的过程。

  “一大早藏族朋友打来电话问我:你在基地吗?昨晚就落在你那里了我看到了你没看到?”文中写道。刘杰文告诉北青报记者他在日尼贡卡附近经营一家山货基地事件发生当晚他在差距基地七八十公里外的德钦没看到空中划过的白光也未感觉到震动。很快他收到基地打来的电话有人“看到整个山都被照白了还有爆炸声”。

  经营基地的经历让刘杰文在当地结识了不少村民与生意人人脉广、线索多多方打听证实后他带领七八人的团队(目前为3人)随即踏上寻找陨石之路。

  带上无人机与望远镜结合公开的空爆点预测位置刘杰文在陨石可能坠落的地点周围展开排查。这一路并不顺畅“书松村觉得就在我们基地背后。到了基地发现是尼顶;到了尼顶又说是次卡通;问到次卡通又指向了吉水通……像追彩虹等你到了发现还在远处。”

  刘杰文告诉北青报记者因为不是专业人士一开始团队只是跟着响动走“哪里村民反映响动最大就往哪里去后来发现(陨石)可能分了很多块(坠落)就分成两组行动。”此外按照专家指导“根据陨石可能往哪个角度飞在电子地图上画出线路慢慢缩小范围”。

  科研工作者也加入到搜寻陨石的行列。中国科学探险协会陨石科学考察专业委员会常务副主任蒋维在微信群里最先知道了“陨石坠落”的消息随后看到发布出来的空爆点经纬度等消息。10月5日他带上6人的团队出发前往香格里拉沿着吉迪、尼西、奔子栏、塔城一路搜寻。

  神秘的“陨石猎人”

  在众多寻找者中还包含了“陨石猎人”与投机者。

  刘杰文告诉北青报记者他最初发布搜索陨石的相关信息之后有来自四川、北京、上海、辽宁民间的团体或个人与他联系确认消息但这些人大部分在到达当地后就再不联系他了。刘文杰甚至得到消息说来自上海的“陨石猎人”已经抵达当地。

  “陨石猎人”也称“猎星人”他们通常在深山老林、戈壁荒漠中寻找陨石有人进而将其高价售出谋取暴利。

  一夜暴富的故事不断诱惑着前来寻宝之人哪怕以经历重重艰险为代价。不过一部分人似乎等来的是空手而归。一名“陨石猎人”对北青报记者说云南地形复杂目前也暂无陨石坠落的明确范围即便带了很多专业设备寻找陨石的难度也很大。

  北青报记者从一个叫做“陨石交友会”的QQ群中联系到陨石爱好者小江(化名)。小江说在看到“陨石坠落”的消息后他便与其他几位陨石爱好者一起“组团寻宝”。目前他们已经在香格里拉的尼西乡格咱村待了一周左右但仍无收获。

  “前来寻找陨石的人中既有独自前来的也有组成团队一起来的。”小江表示他还见到了不少外国人面孔“本地人捡的不多大部分还是全国各地的‘猎人’都各找各的不会集中在一起。我们也会找当地人帮忙带路。”

  小江向北青报记者透露他们这两天一直住在疑似陨石坠落地周边的农家里。寻找陨石本身并没有太大危险但需小心防备深山中的黄蜂、毒蛇与野猪等野生动物。

  每一位探险者似乎都是全副武装除了必备的进山探险工具他们还要为陨石的探索特别备置磁铁、金属探测仪等装备。但即便如此寻找陨石也不是一帆风顺。因为山中地形复杂加之很多人并不具备专业的经验常常铩羽而归“山高路不平到处都是一人多高的杂草树木我们只能在山里乱找乱撞谁都不知道陨石落在哪里主要靠运气。”

  各自的目的

  提及寻找陨石的目的“猎人”小江毫不避讳:除了喜欢以外钱也是重要目的。因为陨石的价格很高可以卖到每克几万元甚至更高。

  他告诉北青报记者大家都想把陨石据为己有所以各团队彼此之间都不会透露掌握的情况 “干这事最重要的是一定要保持低调不能张扬假如走漏风声甚至会有人来明抢。”

  中国政法大学副教授朱巍告诉北青报记者因为陨石是天外来物不属于文物所以可做无主物判定即“谁捡到归谁”。此外在我国〖地质遗迹保护管理规定〗中提及具有重大科学研究与观赏价值的陨石等奇特地质景观应当予以保护。

  而对于刘杰文来说他自称寻找陨石是出于好奇“觉得有意思”真找到了可以自我收藏也可以送朋友假如国家有需要他不会独占。

  作为陨石科学考察领域专家的蒋维表示他寻找陨石更多的是从科研角度考虑假如能找到他希望能尽快送到国家相关科学实验室去以供研究。为此团队准备对最先拾得者发出“每克陨石1万元”的悬赏金“假如是被村民或其他人先发现就买下来”。

  “火流星”掀起的波澜

  陨石热度继续升温网上出现“香格里拉陨石”销售店面并配发了“陨石”图片价格从每克10元到2万元不等。不过中科院紫金山天文台首席科学家徐伟彪在接受媒体采访时表示目前还没有发现能够“确认身份”的“香格里拉陨石”因此网售陨石均为假冒。据了解11日云南省公安局已着手检查此事。当日晚北青报记者发现各电商平台上搜索“香格里拉陨石”显示已无相关商品。

  搜索过程中刘杰文也不断接到“陨石已被找到”的消息这些消息被一次次证实为谣言“图片大概是从网上扒下来的”。

  蒋维告诉北青报记者目前随着范围进一步缩小搜索的难度也在加大“几天下来大家也比较疲劳下一步我们可能会向协会申请组织一些更有野外攀登经验的人加入进来。”

  而陨石爱好者小江则无奈地表示: “我准备回家了这几天一无所获再不回去油钱都不够了。”

  在另一个“寻找陨石”的QQ群中群成员沟通着各自所了解的情况与进展不过有人丢进来一张黑色石头的图片底下马上有人问“找着了?”下面随后跳出一条回复:“假的。”

  本版文/本报记者 张帆 熊颖琪

  实习记者 刘思佳

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