▲谢军在西昌卫星发射中心
就在刚刚，北斗三号最后一颗组网卫星成功发射。组网成功的背后，无数航天人为此付出汗水和心血。去年，本报专访了北斗三号工程副总设计师谢军，在此荣耀时刻，重发此文，回顾北斗奋发前行的一幕幕情景，并为北斗无限精彩的未来送上祝福。
阿波罗登月、航天飞机和卫星导航，这是20世纪人类航天事业的三大杰出贡献。就其对人类日常生活影响而言，尤以卫星导航为最。
人类最早的导航设备是什么?是岸边的灯塔？是崖壁上的石阶？还是夜空中璀璨的北斗七星？“河汉纵且横，北斗横复直”“入得光芒北斗星”“泰山北斗人皆仰”……在中华民族灿若星河的唐诗宋词里，留下了多少诗人对北斗七星的敬仰和咏叹。
▲北斗星座动图
5月17日23时48分，长征三号丙运载火箭冲破西昌卫星发射中心的夜空，将第45颗北斗导航卫星送入预定轨道。
在航天科技集团五院总体部，北斗二号导航卫星总设计师，现任北斗三号工程副总设计师、北斗三号导航卫星首席总设计师谢军告诉记者，去年一年，我国成功发射了19颗北斗卫星，到2020年前后，北斗三号将实现从目前为我国及“一带一路”沿线及周边国家提供基本服务到覆盖全球、服务全球的跨越。
北斗系统是国家重大空间基础设施。习近平总书记曾高度评价来之不易的北斗系统：“北斗系统已成为中国实施改革开放40年来取得的重要成就之一。”
【人物档案】
谢军寄语：“中国北斗追求卓越”。
谢军，1959年生于山西太原市，在西安完成中小学教育，1978年考取中国国防科技大学电子技术系雷达专业。1982年本科毕业后入职中国航天科技集团五院504研究所，1987年毕业于该研究院通信与电子系统专业，获硕士学位。
从事航天事业37年来，谢军历任航天科技集团五院504所所长，北斗二号导航卫星总设计师，现任北斗三号工程副总设计师、北斗三号导航卫星首席总设计师。
“4小时的冲刺”源于跨世纪的梦想
▲谢军与团队成员探讨技术细节
2007年4月16日，是谢军和他的团队永远也忘不了的一天。
此前2天——4月14日凌晨4时11分，从西昌卫星发射中心冲天而起的长征三号甲运载火箭，将北斗二号第一颗MEO（中圆轨道）飞行试验星送上太空；5时16分，太阳翼帆板展开。两天后，卫星经过3次远地点变轨等控制，于16日进入卫星工作轨道。
“16日晚上20时14分，试验星上的有效载荷产品开始加电开机。”谢军如数家珍般地告诉记者，“那晚，所有参与北斗二号导航卫星接收终端产品研发的单位，都将自己的接收设备放在一个操场上，等待卫星发送信号。21时46分，地面系统正确接收到了卫星播发的B1导航信号；21时54分，接收到了卫星播发的B2导航信号；22时03分，接收到了卫星播发的B3导航信号。当地面设备接收到这来自太空的信号时，所有在场的同志都高兴地跳了起来！当时，我在西安卫星测控中心，也非常激动！我们终于实现了2007年4月17日前激活北斗导航信号的目标要求，确保了北斗二号系统申请的卫星导航信号频率与轨位资源！此时，距离国际电联规定的空间频率申请失效仅有不到4个小时。”
▲北斗专家在进行有关设备地面测试
太空浩瀚，但频率资源有限。此前，国际电联曾规定，任何国家申请空间轨道和信号频率资源是有时限的，如超过7年还不能将所设计的卫星发射上天，所申请的频率资源作废。
当时，美国的GPS和俄罗斯的格洛纳斯导航卫星已经使用了大量频率，所剩下来的有限资源为欧洲导航卫星“伽利略”和中国导航卫星“北斗”所分享，谁先完成发射谁拥有使用频率的优先权。国际电联“先到先得”“逾期作废”的规定，给了中国航天人很大的压力。
“我是在2006年3月时，才听说我们2000年向国际电联申请的导航信号频点，到2007年4月17日要过期。”谢军说，当时确实有点紧张，“因为当时我们卫星的研发还未全部完成，担心时间不够。唯有优化流程，抓紧研发。”
之前，北斗一号虽已在2002年完成了双星定位，但按照国际电联的标准，北斗一号仍是“试验系统”，它与北斗二号卫星播发的导航信号技术体制完全不同，使用信号的频率资源不同。
为了确保这一国家任务的如期完成，航天科技集团要求“标准不能降，流程不能减”。剩下能压缩的，只有休息时间，“我们只能以跑百米的速度来跑马拉松。”谢军说。
2007年的春节都没有过完，大年初三，五院的大队人马就从北京飞往西昌。从卫星总设计师谢军起，所有参试人员进场后先干3天体力活，搬设备、扛机柜……检测设备安装就位，马不停蹄开始了连续6天6夜的不间断加电测试，以模拟卫星和有效载荷在太空连续工作的状态。从院士、型号总师到技术人员，一刻不停地轮班盯着测试进程，发现了问题及时解决。后来，在卫星从技术区转入发射区后还是暴露了星地通信应答机信号源不起振的问题。
所有的问题都“归零”之后，专家层决定：北斗二号首颗MEO试验星14日发射。
“就在卫星发射前一天晚上10点多，孙家栋院士还在和我商量，万一卫星在太空再发生什么故障，你要怎么和地面测控系统、发射场系统协调？我都一一记在‘发射任务清单’上。”谢军说，“孙院士等老一辈航天人的责任感真的是特别强。按照孙总的要求，我们与地面测控人员的沟通协调一直持续到14日凌晨2点。所幸，非常顺利。”
“你知道吗？早在上世纪六七十年代，老一辈航天人就曾提出过一个名为‘灯塔’的卫星导航计划，可由于当时国家陷于‘文革’动乱，只能被迫止步，但这个‘灯塔’的梦想始终在我们一代又一代航天人心里。”谢军说。
“北斗二号的设计寿命是8年，但我们2010年1月17日发射的第一颗组网星，至今状态良好，仍在使用。”谢军颇感自豪。
原子钟误差1毫秒，定位精度误差300公里
▲谢军向分系统团队成员布置研发任务
2003年9月，2个来自北京的电话改变了谢军的人生。打第一个电话的是时任五院院长袁家军，他说，院里决定调你担任北斗二号的技术总负责。时任504所所长的谢军，知道这副担子不轻，不敢贸然答应。几天后，谢军的老领导、五院常务副院长兼北斗二号总指挥李祖洪的电话来了：“你别犹豫，现在北斗二号的任务很紧迫，难度很大，赶紧来。”
谢军明白，此乃航天用将之时。
当年12月，五院成立北斗二号项目办，谢军正式走马上任。
既然已建成北斗一号，为什么国家还要接着上马北斗二号？长期从事北斗系统建设工作的研发副总师周鸿伟告诉记者，北斗一号始建于上世纪90年代，陈芳允院士认为国家实力有限，不可能像发达国家一样一下子打几十颗导航卫星上天，提出了“双星定位”的体制，用“2颗GEO星（地球静止轨道卫星）+地面站”的方式，实现了我国导航卫星从无到有的飞跃，但其覆盖区域和定位精度仍难以满足国家发展和百姓生活的需求。
横亘在谢军和他的团队面前的，是从平台到星上载荷的全新挑战。
▲北斗专家们在总装现场
周鸿伟说：“作为北斗二号的技术总负责，每颗卫星的设计定型、生产制造、进场发射，谢总都要在文件上签字的，因此，他的压力确实很大。”
北斗一号采用的是通讯式的有源定位，用户机必须发送信息才能参与定位，这一转发式体制不仅造成用户容量受限，而且用户机的成本很高；而北斗二号采用广播式的无源定位，即用户机可不发送信息，只要接收和解读4颗以上导航卫星发来的数据，即可计算出其自身所在的位置，这一导航方式用户数量可以不受限制。
而为了实现上述目标，北斗二号必须以星载原子钟来定时，方能实现定位。而此前，北斗一号的授时工作主要由卫星地面站来完成，星上没有原子钟组。
周鸿伟为记者科普说：“既然导航用户是通过至少接收4颗以上导航卫星发射的位置信息来计算出自身位置的，因此这4颗星的时间必须准确而同步。过去，你的手表过一段时间需要校时；现在你的手机要校时吗？你的手机时间与电视台的时间永远是同步的，就是因为都采用的是北斗卫星导航系统授时时间。我卫星导航的时间精度是50纳秒。1纳秒是千分之一微秒、百万分之一毫秒、10亿分之一秒。为什么需要这么精准的时间？你知道光速是每秒30万公里，如果有一只原子钟慢了1秒，那计算机就会判读你离这颗卫星又远了30万公里！”
时间在此转换为空间。
谢军告诉记者：“我们已知：C（距离）=R（光速）×T（时间），因此T的误差量级为：1毫秒的误差，在定位精度上造成的距离误差为300公里；1微秒的误差影响定位精度300米，1纳秒的误差是0.3米。”
这是太空版的“差之毫厘，失之千里”。
“星载原子钟哪里来？最初，我们也想过购买或引进。”谢军说，“但要么是发达国家不卖给我们，要么是价格贵得我们买不起。我们的自主创新其实是逼出来的。”
正如全国政协委员、中科院院士、航天科技集团科技委主任包为民所言，中国的航天史实则就是一部自主创新史。他说：“在改革开放初期，我们也曾大量引进、吸纳西方的先进技术和元器件。但是一旦应用到我们的尖端装备上，随即就会受到封锁和制裁，市场上马上就买不到了，即使还能买到，价格也会被抬高10倍以上。”
“我们的经费，只够买北斗二号所需原子钟数量的一半，还有一半必须我们自己动手造。当时我们就提出了‘集智攻关，团结协作，强强联合，突破星载原子钟的工程化’的要求，必须拿下原子钟。”谢军说。
“一开始，我们就想到过自主创新很难，但真没想到这么难。”谢军回首这些年走过的创新之路时说，“有人问我，做总师最怕什么？就是怕自己做出决策后，解决不了产品的问题，而眼看着时间在一个月一个月过去，这是最焦虑的。但为了完成国家的任务，再难我们也只能扛着。当初，研制出的第一台原子钟在工作中经常突跳，精度很差。怎么办？我自己的专业不是研究原子钟的，只能泡在一线上，和研制原子钟的专家一起分析问题，想方设法攻克难关。”
该院总体部导航卫星总体室副主任设计师康成斌说，为了解决星载原子钟质量这个“拦路虎”问题，谢总是用心去深入一线，那些原子钟生产厂家的技术人员，他都叫得出名字。有时做产品试验，他也一直守着，36个小时不合眼。
星载原子钟设计出来后，谢军提出，必须防止出现星载原子钟在地面准而上了太空不准的问题。这就要从解决太空和地面的差异入手，地面有空气的辐射、对流、传导，而太空中没有。经过反复攻关，终于在生产控制中解决了在非真空的条件下，模拟保证真空条件下的工作特性问题。
星载原子钟对环境温度非常敏感。在太空中，因阳光的直接照射和地球阴影区域的不断交替，卫星每天的温差上下200多℃。谢军带领团队为星载原子钟组设计了一个恒温舱，通过精密的温控措施，将温度控制在设定目标值的±1℃之内。“这1℃的误差所带来的影响，直接关系到我们要求的10-14的精度。我们系统的要求就是这么高，这才能保证我们的星载原子钟300万年只有1秒的误差。”谢军说。
周鸿伟评价道：“谢总是北斗二号天基时空基准最重要的开创者。”
谢军告诉记者：“北斗二号，从2004年立项到2012年完成，由5颗GEO、5颗IGSO(倾斜地球同步轨道卫星)和4颗MEO实现组网，可为亚太区域提供导航服务。定位精度从北斗一号的20-30米，提高为水平和高程均为10米，接近当时的GPS民用标准。”
星间链路，唯有自己成长为“巨人”
▲谢军与团队年轻人探讨如何克服技术难题
“北斗三号的预研，于2009年启动。2017年11月5日，首次发射北斗三号的2颗全球组网卫星。”谢军告诉记者，“北斗三号系统共有30多颗导航卫星组成：3颗GEO、3颗IGSO和27颗MEO。去年12月27日，北斗三号基本系统正式向‘一带一路’及全球提供基本导航服务，向距离全球组网的目标迈出了实质性的一步。目前，北斗三号在国内的定位精度可达4-6米，部分地区最高精度可达2.5米，而在全球的定位精度是10米以内。”
全球组网，全球服务，是北斗三号的目标和承诺，也带来了全新的挑战。
首先是我国的卫星地面站基本都在我国境内，卫星在西半球上空时怎么办？
谢军带领团队花了近5年的时间，不仅提出了星间链路高轨和中轨结合的方案，首创了星间链路和混合星座的架构体系，还研发、突破、解决了原子钟组、大功率微波产品、高精度测量等一系列重大难题。
星间链路在空中为北斗三号的30多颗导航卫星建了一个“群”：只要依靠国内的地面站，就可管理全球的卫星，解决了海外布站、卫星境外监测的难题，实现了所有导航卫星的互联互通。即使和地面联系一时中断，卫星也能继续提供服务。
GEO运行的是定点在赤道上空3.6万公里的地球静止轨道；而IGSO运行的是倾斜地球同步轨道，星下点在地球上呈“8”字形；而MEO运行的中圆轨道也要距地面2.15万公里。北斗三号卫星某型号总体技术负责人聂欣告诉记者，这3种卫星彼此之间最远的距离是6.9万公里，要始终保持联系，谈何容易。
康成斌告诉记者，北斗三号卫星之间的信号不是采用广播式发送的，而是采用更高频段的窄波束，所以对卫星天线的指向性要求非常高。且由于双方无时无刻不在运动之中，通信天线既要像“万里穿针”般精准，实现信号的快速捕捉、跟踪和通信，还要把卫星运动带来的“多普勒效应”出现的误差补偿掉，这对我国首个创建的大型空间网络来说，是极大的挑战。
更何况，在北斗三号的前期论证中，就提出了元器件和器部件全面实现国产化与自主可控的目标，囊括了一颗星上近200台（套）设备，国产设备不再是冗余系统的备份。
谢军对研发团队反复强调：“谁也不要以国产化为理由，降低标准。”用于放大无线电信号的行波管放大器，之前一直使用进口产品，按国产化要求有关单位开始自己研制。费了九牛二虎之力拿出了6台产品，却被谢军全部退货。
“当时作出这个决定其实挺难的。”谢军告诉记者，“我知道这个新产品用一二年还是可以的，但我们北斗三号的寿命要求是提高到10年-12年，如果它第3年出问题了怎么办？和大家反复商量之后，还是决定拿下来重新研发。”
聂欣说，谢总强调要把所有的创新建立在扎实可靠的数据上，新产品在地面上就要进行全寿命不断电的可靠性试验，以充分掌握其长期性能，如发现问题必须进行改进“归零”。
康成斌说，谢总非常务实，他有句口头禅是“大家不要只提问题，而要提解决问题的方案”。
当北斗三号最早的2颗全球组网卫星在西昌卫星发射中心升空时，指挥大厅中的年轻人注意到谢军激情难抑。作为严守质量关的总设计师，率领团队一路披荆斩棘，有时不得不和总指挥一起承担推迟进度的风险，心中的压力可想而知。
▲北斗卫星前往发射基地途中（央视截屏）
李祖洪说，在北斗起步之时，我们也希望能站在“巨人的肩膀上”。但“巨人”可不是这么想的，对我们技术封锁，不让我们站在他的肩膀上。所以唯一的办法，就是自己成长为巨人。
他们做到了。他们是中国人的骄傲。（特别鸣谢中国航天科技集团闫宁、赵之辉、潘晨对本次采访报道的大力支持）
记者手记
“北斗未来，敬请期待”
顶着北京初夏的骄阳走进航天科技集团五院总体部的大楼，最先进入视线的是门厅上的一行大字：“伟大事业始于梦想，基于创新，成于实干”。觉得用它来概括中国航天人和航天事业，真是再贴切不过。
周鸿伟曾有幸在孙家栋院士率领的团队工作过。记者请他谈谈这两位的风格有何异同？他说，孙老平时非常慈祥，但决策时非常果断；而谢军是率领团队在第一线冲锋陷阵的总师，他是抓得住关键，打得开思路，承受得起压力，也经得住失败。而要做到这些，必须没有私心杂念。在谢军身上，我感受到了老一辈航天人的家国情怀。
记者冒昧地问谢军：“孙院士有没有批评过您？”他坦诚地说：“他当然批评过我，有时批评得还很严厉，要求很明确。”他举例说：“在攻克微波开关这个难题过程中，孙院士就提醒我们：国外的资料为什么这么说？到底对不对？我们能不能验证结果？每一个技术问题都必须研究透了，你心中才有底。现在，我们院已经把老一辈航天人的作风化作具体的工作指南和制度。”
“2020年，北斗三号服务范围覆盖全球后，你们还会研制新一代的北斗导航卫星吗？”记者问。
“肯定会。卫星的应用，取决于人的想象力。我们期望能融合多种手段，为社会打造一个新的综合性PNT（定位导航授时）体系。北斗未来，大有可为，敬请期待。”
作者：郑蔚
编辑：赵征南
责任编辑：付鑫鑫
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