搜索 解放軍報

“北斗”璀璨

來源︰人民日報作者︰黃傳會責任編輯︰楊凡凡
2020-11-27 14:39

圖為北斗衛星導航系統。

制圖︰蔡華偉

他站在那里,仰望著天空——蔚藍色的蒼穹明淨如水,廣闊無垠。一輪彎月銀光淡柔,幾顆星星若隱若現。

60多年來,他主持以我國第一顆人造地球衛星東方紅一號為代表的45顆衛星的研制和發射,主持我國月球探測、北斗導航重大航天工程的研制工作,為我國突破人造衛星技術、衛星遙感技術、地球靜止軌道衛星發射和定點技術、導航衛星組網技術和深空探測技術做出了重大貢獻。他是我國人造衛星技術、深空探測技術和衛星導航技術的開創者之一。

仰望著星空,他在描繪“中國星座”的輝煌藍圖……

他就是共和國勛章獲得者孫家棟。

天上有顆北斗“星”

2004年3月,中國繞月工程正式啟動,孫家棟被任命為繞月探測工程總設計師。同年12月,繼上世紀90年代擔任北斗一號系統工程總設計師後,他再次被任命為北斗二號系統工程總設計師。75歲的孫家棟進入他一生中最忙碌的時期。

一肩挑著“北斗”,一肩壓著“探月”。“星星”與“月亮”緊密相伴。常常上午開“北斗”會,下午又要研究“探月”。孫家棟恨不得長出三頭六臂。

一場春雨剛剛停歇。

清晨,秘書李鋼接上孫家棟往機場趕,準備去西昌衛星發射中心。車剛出機關大門,李鋼的手機響了,電話是孫家棟夫人魏素萍打來的︰“快掉頭回來,忘了帶東西了。”

車子重新開回家,魏素萍站在家門口,將手里的塑料袋交給李鋼︰“昨晚裝箱子時,忘了把這雙布鞋放里面了。”

70多歲的人了,長年累月在外面跑,一進家門,孫家棟常常累得連話都不願多說。魏素萍心細,發現每次出差回來,老伴的雙腳都有些浮腫,肯定是走路走多了累的。此後,每次出差前她幫裝箱子時,都要帶一雙布鞋。

回到車上,李鋼將布鞋交給孫家棟,說︰“孫老,趕緊換上布鞋吧,否則,阿姨會‘問罪’下來的。”

孫家棟說︰“換沒換,她怎能知道?”

李鋼開起了玩笑︰“天上不是有北斗嗎?”

孫老笑著說︰“北斗會這麼靈嗎?下了車換也不晚,她不知道。”

說話間,李鋼手機鈴聲又響了。魏素萍問︰“李秘書,他換上布鞋了嗎?要是沒換就在車上換了,這樣下車時,會舒服些。”

李鋼連忙朝孫家棟使了個眼色︰“阿姨,已經換了。”

孫家棟不緊不慢地說著︰“天上還真有北斗盯著呢……”

老伴的溫馨,讓孫家棟心頭一熱。然而,此時孫家棟心中想的卻是北斗、北斗。

1989年2月,美國全球定位系統(簡稱GPS)成功發射第一顆組網工作衛星。1994年美國將24顆衛星部署在6個地球軌道上,GPS系統覆蓋率達到全球98%。俄羅斯1995年完成了格洛納斯系統衛星星座的組網布局。

孫家棟坐不住了,他知道衛星導航系統對于國家建設和國防建設的重大意義。他更清楚,一個國家假如使用別人的衛星導航系統,無異于將命運的繩索交給別人。

1983年陳芳允院士提出了雙星定位的設想。1994年,國家批準北斗一號立項。自此直至2014年,孫家棟一直擔任北斗工程總設計師,帶領北斗人逐步探索出具有中國特色的“三步走”發展戰略︰第一步,2000年建成北斗一號系統(北斗衛星導航試驗系統),為中國用戶提供服務;第二步,2012年,建成北斗二號系統,為亞太地區用戶提供服務;第三步,2020年建成北斗全球系統,為全球用戶提供服務。

1994年12月,孫家棟被任命為北斗一號系統工程總設計師。重任在肩的孫家棟滿腔熱血、滿懷激情。

北斗一號衛星系統總設計師範本堯曾說︰“北斗一號衛星最初的研制規劃中,計劃在東方紅二號甲衛星雙自旋衛星平台基礎上研制一種導航衛星專用平台。但這類衛星平台沒有太陽翼,功率比較小。為這個平台我們做了很多次試驗,但都沒有成功,耗費了大量精力。”

後來有一天,範本堯踫到了孫家棟。見他皺著眉頭,孫家棟問,找到好平台了嗎?範本堯說,做了很多試驗還是不行。孫家棟說,看來不能一條路走到底,得換思路、換平台啦。

換平台,關系到改變研制規劃。範本堯問︰“換哪種平台?”孫家棟說︰“東方紅三號平台怎麼樣?”“東三”平台比“東二”平台強多了,但因為前不久第一顆東方紅三號衛星發射失敗,所以那時候人們不敢提用“東三”平台取代“東二”平台。孫家棟像是看出了其中緣由︰“老範,你是‘東三’的總設計師,你說說這次失敗的主要原因是什麼?”“我認為‘東三’失敗是衛星的質量問題,一些關鍵部件達不到設計要求,而不是設計問題。”孫家棟說︰“既然不是設計問題,把質量問題解決了,完全可以用‘東三’平台取代‘東二’平台。我們再仔細論證一下,此事不能再拖了。”

孫家棟果斷拍板,北斗一號衛星平台轉而采用東方紅三號衛星的三軸穩定平台。路子順了,大大加快了衛星的研制進度。

北斗初建,遇到一個瓶頸問題——信號快速捕獲。能否實現對信號的“快速精跟”,成為決定北斗一號系統整體性能,甚至左右整個工程進展的關鍵。

1995年,國防科技大學在讀博士王飛雪和同學雍少為、歐鋼,獲知這一信息,摩拳擦掌,躍躍欲試。他們用4萬元從北京買回一台當時算是比較先進的台式計算機。把一個不到10平方米的倉庫,簡單地收拾一下當作試驗室。沒有儀器,就東湊西借。那些日子,他們每天工作十七八個小時,餓了就泡袋方便面,累得眼皮都撐不開時,就沖杯濃咖啡提神,直到實在困得不行,才打開行軍床小憩。

一次次論證,一次次推翻重來。孫家棟對這個年輕的團隊給予全力支持,他說︰“攻關,最重要的是要創新。”

王飛雪另闢蹊徑,提出了一種新的算法︰“全數字化快速捕獲信號與接收技術方案。”他們通過測試得到的第一批“快捕精跟”數據,效果遠遠超過了大家的期望值。3年後,星地對接現場,顯示器上脈沖“閃耀”,信號捕捉成功。

2000年10月31日、12月21日,長征三號甲運載火箭分別將第一、第二顆北斗導航試驗衛星送入地球同步軌道,建成了北斗一號系統。

雙星組成的北斗一號系統能全天候、全天時地提供衛星導航信息,還具備短報文通信服務能力。我國成為繼美國、俄羅斯之後,第三個擁有自主衛星導航系統的國家。

“讓我們自己也成為巨人”

仰望星空,孫家棟的眉心微微蹙在一起,無形的壓力和緊迫感爬上心頭。

星載原子鐘像一只“攔路虎”,橫在北斗二號系統面前。

時間和空間位置信息,都是一個國家重要的戰略資源。衛星的位置信息和星上精準的時間信息,是導航衛星最核心的兩大參數。

星載原子鐘被稱為導航衛星的“心髒”。如果原子鐘誤差1納秒(10億分之一秒),就意味定位會有0.3米誤差。

當時世界上只有少數幾個國家具備星載原子鐘的研制能力,由于中國當時的技術基礎還比較薄弱,只好去國外買。北斗一號衛星用的兩只原子鐘是進口的,指標很低,算是勉強能用。

北斗二號衛星研制初期本想走老路,還去國外買。但國外好幾家都以保密為由,一口回絕了。後來,好不容易找到歐洲一家廠商,答應賣給我們一款產品,技術參數基本夠用,正準備簽合同。沒想到除了價格一漲再漲,對方還附加了一系列霸王條約︰比如賣給我們的產品,檔次要比他們用于伽利略導航系統的低一個級別;發貨時必須等待他們國家有關部門批復等。

孫家棟對現北斗三號系統工程副總設計師、時任北斗二號衛星系統總設計師謝軍說︰“我們再也不能對進口產品存在依賴性了。星載原子鐘必須下決心自己搞,就是砸鍋賣鐵也要做出自己的品牌。”

在工程辦公室組織下,孫家棟帶領有關機關、謝軍等專家去幾家科研單位調研。當時參與原子鐘研發的有北京大學、中國科學院武漢物理與數學研究所、中國空間技術研究院西安分院、航天科工集團203所等。孫家棟的態度非常明確︰“原子鐘技術不過關,衛星絕對不能上天。”

中國空間技術研究院西安分院星載銣鐘首席專家賀玉玲,回顧近10年艱難曲折的研發之路,感慨地說︰“家人經常會抱怨我,你們是做‘鐘’的,怎麼這樣不守時?有時候為了獲得一個更穩定的數據,可能需要反復測試。連白天黑夜都忘了,更顧不上節假日。”

在中國科學院武漢物理與數學研究所研究員梅剛華的辦公室,至今還珍藏著幾抽屜的試驗品,這些試驗品見證了課題組20年來的艱難求索。梅剛華說︰“剛開始的時候,我們做出的原子鐘的精度與西方發達國家的差距是兩個數量級。原子鐘的核心部件微波腔只有一個膠卷大小,要在里面特定位置打幾個槽,測量寬度和深度,當時沒有計算機模擬仿真,只能靠人工一點點摸索、一點點打磨。”僅這一項技術,他們就進行了上百次試驗。最終,具有全新結構和工作原理的開槽管式微波腔研制成功。

終于,有3家科研單位分別研制成功各有特色、具有完全自主知識產權、滿足北斗系統工程要求的星載原子鐘——中國終于有了自主研發的原子鐘。

那天,孫家棟親自見證了4台完全符合技術要求的國產原子鐘,裝載在北斗二號系統首顆衛星上。

2007年大年初三,北斗系統高級顧問、時任北斗二號系統工程副總設計師李祖洪和時任北斗二號衛星系統總設計師謝軍,帶著試驗隊將北斗二號第一顆衛星運到西昌衛星發射中心。檢測設備安裝就位,便開始了200個小時的不間斷加電測試,模擬衛星和有效載荷在太空連續工作的狀態。從工程總指揮到技術人員,大家一起排班,分分秒秒,緊盯著數據,不敢有絲毫大意。

兩個多月,馬不停蹄,每天都是超負荷工作。

那天快中午時,李祖洪接到謝軍從廠房打來的電話︰“李總,衛星發動機出問題了!”

從北京來的孫家棟馬上就要下飛機,李祖洪本來要去接機的,這時也顧不上了,趕緊往廠房趕。

進了廠房,到了工裝架子旁,謝軍告訴李祖洪,試驗隊員在發動機底部發現了一個疑點。李祖洪趴下身子,探頭看了看,證實了發動機的疑點情況。

大家正著急著,孫家棟聞訊直接趕來了。

听了匯報,孫家棟先蹲下身子,想看看到底是什麼情況,但發動機底部離地面只有五六十厘米,看不太清楚。誰也沒有想到,孫家棟索性躺在地面,臉朝上,身子往發動機底部慢慢蹭,終于看清楚了疑點情況。

孫家棟從發動機底部鑽出來,喘了幾口氣,說︰“應該只是擦了一下,問題不是很大,但必須立即請廠家的專家來鑒定。”

他擦了擦頭上的汗水,此時秘書想搬一張椅子讓他坐下休息,被他用眼神制止了。旁人不知道孫家棟犯有陳舊性腰肌勞損,劇烈的疼痛常常會讓他步履艱難。

事後,李祖洪感動地說︰“當時,看到78歲的孫老躺在地上,鑽進發動機的底部,我們真的很感動!”

發動機廠家的專家趕來了,經探傷儀探測機體沒有裂痕,高溫涂料也沒擦壞。幾方評估後,可以按原計劃發射。

衛星轉場到發射區,與火箭對接,進入衛星狀態檢查,整流罩合上。

然而,在最後的總檢查中,應答機里面一個振蕩器工作臨界,時而停振,時而正常。衛星上天後,有可能影響信號的正常傳輸。

發射場區指揮部經慎重研究決定,問題必須徹底歸零才能發射。

在六七十米高的發射塔架上,重新打開整流罩,科研人員幾經周折,將幾十個螺栓擰下來。整流罩打開後,又小心翼翼地把衛星的艙板打開,才從衛星里面取出應答機。

發射場無法修復應答機,試驗隊員抱著應答機,火速送往成都。

此事過後沒多久,4月11日,孫家棟又趕到西昌發射場。

剛下飛機,他便問李祖洪︰“應答機的問題解決了嗎?”

李祖洪搖了搖頭︰“還在成都修理,急人,都快火燒眉毛了。”

孫家棟對李祖洪說︰“不可松懈,一切按預定部署進行。”

應答機終于修復,從成都火速送回發射場,已是4月13日中午。

4月14日凌晨,北斗二號系統第一顆衛星,終于順利升空。

5時16分,太陽翼帆板成功展開。

在指控中心,孫家棟注視著面前的大屏幕,神色淡定,心中卻是波濤翻涌。他知道一場真正的考驗才剛剛開始——再過不到72個小時,我國向國際電信聯盟申請的導航信號頻點就將過期作廢。衛星僅僅發射成功還不算,必須在72小時內順利開機、正常運轉,而這一切,誰也不敢打保票。

太空中的頻率資源十分有限。2000年4月17日,我國向國際電信聯盟申請導航衛星的軌道位置和頻率資源,國際電信聯盟闢出兩小段資源作為衛星導航合法使用頻段。根據國際電信聯盟“誰先佔有誰先用”的原則,必須在7年有效期內發射導航衛星,並成功接收傳回信號,逾期則自動失效。

因此,一個新的問題擺在了面前︰衛星入軌後,按規範操作,衛星要在真空環境下暴露5天後再開啟設備。提前開啟,很有可能引發微波信號大功率微放電,導致衛星報廢。可是再等5天,勢必錯失國際電信聯盟規定的最後期限。

16日20時14分,我國申請的空間頻率有效期只剩下不到4小時。

孫家棟從座席上站了起來,擰眉沉思了片刻,與在座的有關同志會商後果斷決策︰“加電開機!”

當晚,十幾家終端設備廠家,在北斗系統主控站的一個大操場上,把接收機擺成一大排,技術人員在焦急中不時仰望漆黑的夜空,等待著一個“精靈”——那個來自遠方的信號。

“有了!”不知誰最先喊了起來。

21時46分,地面系統正確接收到了衛星播發的B1導航信號。

21時54分,接收到了衛星播發的B2導航信號。

22時03分,接收到了衛星播發的B3導航信號。

整個大操場上歡聲雷動。

此時,離國際電信聯盟限定的時間僅剩2小時。

猶如世界杯比賽的“壓哨破門”,北斗系統申請的衛星導航信號頻率與軌位資源保住了,中國北斗在最後時刻,拿到了進軍全球衛星導航系統俱樂部的“入場券”。

第二天,在賓館吃早餐時,孫家棟把李祖洪、謝軍還有一些骨干招呼到一起,交代了下一步工作後,緩緩地說︰“最近我听說了一段話,不知道是哪位哲人說的,說得特別好。”

大家都放下了筷子。

孫家棟認真了起來︰“這段話是這麼說的︰在北斗工程起步之時,我們也希望站在‘巨人的肩膀上’,但‘巨人’可不這麼想,他對我們技術封鎖,不讓我們站在他的肩膀上。所以唯一的辦法,就是我們自己成為巨人。”

李祖洪一听愣了一下。這時有人突然想起來了︰“孫老,這話是祖洪總指揮說的。”

大家都笑了。孫家棟卻變得更嚴肅了,他說︰“前幾天,有人告訴我祖洪總指揮講的這段話,我覺得講得特別棒,說出了我們的心里話。這些年來,我們曾想站在‘巨人的肩膀上’,可‘巨人’不僅不讓我們站,而且還卡我們、壓我們。在事實面前,我們終于醒悟過來了。靠別人靠不住,只有靠自己,拼搏努力,讓我們自己也成為‘巨人’,讓中國的航天也成為‘巨人’!”

大家心里鉚足了勁︰讓中國航天也成為“巨人”!

星耀全球

2009年,北斗三號系統正式啟動建設。

北斗三號系統將建成擁有24顆中圓地球軌道衛星、3顆地球靜止衛星和3顆傾斜地球同步軌道衛星,共30顆衛星組成的全球衛星導航系統。

在第一次大系統協調會上,孫家棟明確提出︰“我支持工程大總體提出的所有星載產品必須百分之百國產化的意見建議”,真正做到“北斗星、中國芯”。他的態度充滿堅決。

這是一位老科學家集大半生科研經歷的親身感受,包括曾經有過的深刻教訓。核心技術引進不來,買不到,唯有自主創新,大膽突破。作為北斗系統工程的總設計師,孫家棟除了要為這項巨大的工程進行科學設計,還必須為整個工程劃定一條底線——“核心技術自主可控”便是這條底線,同時也是北斗系統的“生命線”。

孫家棟帶領中國北斗人,堅守著這條“生命線”。

2014年12月,時任北斗系統工程副總設計師楊長風接任北斗系統工程總設計師,孫家棟被聘任為高級顧問。

北斗三號系統最大的亮點是星間鏈路。這是我國北斗由區域邁向全球的關鍵,也是一個少有經驗可借鑒的新難題。

楊長風有些猶豫,星間鏈路萬一失敗,將嚴重影響北斗系統全球組網建設進度。

楊長風與孫家棟談了自己的擔憂。孫家棟沒有正面回答,而是問︰“長風啊,你認識咱們酒泉衛星發射中心首任司令員孫繼先中將吧?听說過他在長征中的故事嗎?”

“听說過呀!”

“長征中,孫司令員是紅一軍一營營長。那年5月,部隊到達大渡河,前有堵截,後有追兵,情況十分危急。劉伯承、聶榮臻首長親臨前線指揮,孫繼先從二連親自挑選並帶領十七勇士組成突擊隊,硬是在被敵人視為插翅難飛的天險防線上,打開一個缺口,為中央紅軍北上開闢了一條通道……”

听到這里,楊長風心領神會。

孫家棟接著說︰“我們經歷過多少次被‘逼’的境況啊?但我們不都靠著自己的智慧,每次都絕路逢生了嗎?”

浩瀚銀河遙相望,星間鏈路搭橋梁。國防科大、中科院、中國空間技術研究院分別組織隊伍攻關。

2015年3月,由中科院微小衛星創新研究院研制搭載星間鏈路的衛星發射成功,正式開啟星間鏈路驗證工作。

同年8月,由中國空間技術研究院研制的兩顆北斗三號試驗衛星成功在軌建立星間鏈路,標志著我國成功驗證了全球導航衛星星座自主運行核心技術,為建立全球衛星導航系統邁進一大步。北斗團隊再一次交出了令世界震驚、令國人滿意的答卷!

那天,孫家棟到一線了解星間鏈路的驗證情況。

听了楊長風和謝軍的介紹,孫家棟非常高興。他說︰“此前,我們面前也遇到了‘大渡河’,別無選擇,我們只能選擇強渡。今天,我高興地看到,我們已經渡過了‘大渡河’。我又一次感受到了自主創新的蓬勃生命力。”

忽然,孫家棟發現站在眼前的都是面生的年輕人,兩眼一亮,問其中一名技術骨干︰“小伙子,今年多大了?”

“孫老,我29歲。”

“29歲,多年輕啊!我29歲那年,剛剛留學回國。你參加工作幾年了?”

“兩年。”

孫家棟說︰“參加工作兩年,便參與這麼重大的工程,真是後生可畏。你們趕上了一個好時代,我們的國力強大了,我們的航天發展了!”

將要離去時,孫家棟又收住腳步,對身旁的年輕人說︰“我今天很高興,星間鏈路驗證取得關鍵性突破。但讓我更欣慰的是,有你們這支年輕的隊伍,這說明我們的北斗事業永遠年輕,中國的航天事業永遠朝氣蓬勃!”

2020年6月23日9時43分,西昌衛星發射中心,長征三號乙運載火箭成功將北斗三號系統最後一顆全球組網衛星發射上天。

從1994年北斗一號系統立項伊始,30萬人接力奮斗了26年,夢想終于實現,北斗星耀全球。

從“區域服務”到“全球組網”,從追趕到並跑,從受制于人到自主可控,中國北斗一步步走向卓越。北斗三號系統具有導航定位和通信數傳兩大功能,可提供定位導航授時、全球短報文通信、區域短報文通信、國際搜救、星基增強、地基增強、精密單點定位共7類服務,是功能強大的全球衛星導航系統。全球範圍定位精度優于10米、測速精度優于0.2米/秒、授時精度優于億分之一秒、服務可用性優于99%。

交通運輸、公共安全、農林漁業、水文監測、天氣預報、通信報時、救災減災……北斗系統正深深融入國家核心基礎設施,並產生顯著的經濟效益和社會效益。隨著北斗高精度和人工智能、大數據、雲計算、5G通信等新技術的結合,北斗應用從衛星導航定位延伸到了工業互聯網、物聯網、車聯網等新興應用領域……

一個民族的智慧,一個國家的創造力,往往需要一些標志性的成果來證明。北斗系統體現出中國速度,凝結著中國智慧,展現了中國志氣,而這些,是任何東西都不能替代的!

輕觸這里,加載下一頁