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北斗二号的“卫星医生”

时间:2017年01月23日 信息来源:《中国科学报》 点击: 【字体:

在近日召开的国家科学技术奖励大会上,北斗二号卫星工程荣获国家科学技术进步奖特等奖。在这项工程中,有一位“医生”立下了汗马功劳。


它有一双“千里眼”,可以穿越星海“望”到北斗二号卫星轨道,并能精准地找到卫星的位置;它有一对“顺风耳”,能“听”懂卫星“语言”,把卫星信号转化成数据,监测、判断卫星的信号质量和星历信息;它有一颗“玲珑心”,通过悉心“查”看,评判卫星健康与否。


除了医术精湛,它还配有精心建设的高、精、尖的“医院”——监测站,确保诊断结果精准有效地传回“诊断中心”。


它就是北斗二号卫星导航系统建设核心支撑单位之一——中国电子科技集团公司20所(以下简称中国电科20所)为北斗二号卫星工程量身定制的地面监测接收机,业界人称“卫星医生”。


国产零的突破


“卫星医生”医术精湛,它的来历同样也不简单。众所周知,只有“健康”的卫星才可以参与定位服务,地面监测接收机主要作用于精准“找到”卫星,理解卫星的“语言”,专业评判出一颗卫星是否“健康”。


这个“诊疗”过程听起来很简单,但据一位技术专家介绍:“别看地面监测接收机身材‘娇小’,但就是这个只有电脑机箱大小的东西,功能却是独一无二,基本上囊括了地面系统的技术难点。”


作为北斗二号的“眼睛”,地面监测接收机必须先于所有系统顺利研发,才能确保整个工程中空中和地面其他系统的顺利运行。一般来说,卫星越多,定位精度越高。北斗二号由众多卫星组成,系统的定位服务性能要达到最精准,这对地面监测接收机的测量和定位精度要求极高。


然而,受限于大规模集成电路设计和制造工艺水平的限制,以及核心技术被国外封锁,高精度测量需要从零开始,宽带抗多径天线技术需要突破,高性能抗干扰技术领域从未涉足……要实现“地面监测接收机”国产化零的突破,太难太难。


“脑洞”孕育高超医术


虽然困难重重,但是中国电科20所却突破思维,创造性地提出“分布式”的设计理念,攻关团队首先对所有技术难点进行分类,形成5大关键技术难点,针对不同的技术领域组成攻关团队进行分平台技术攻关,在单平台上实现5大技术难点零的突破,最终在整机上进行技术集成。


在技术集成的时候,技术人员又遇到了难题。在单平台上,可以不用考虑平台尺寸和硬件资源的占用问题,但在整机上集成时,则必须考虑到在有限的空间内实现多平台的协同工作。分平台的技术难点本身很难突破,工程任务进度节点迫在眉睫,究竟如何破解整机集成的难题?


最终,攻关团队借鉴了银河III号高性能计算机的设计方式,通过在整机平台上“动手脚”达到集成的目的,仅用了一年的时间,便完成了大型联调联试30余次,大小测试科目100余项,所测科目均满足试验大纲要求,实现了整机装备国产化率高达90%以上,对北斗系统精密定轨、完好性监测起到重要的支撑作用,为北斗系统全面国产化成功“试水”,在性能上填补了国内空白,达到国际领先水平,被业界誉为“国内高性能卫星信号接收设备的制高点”。


最勤奋的卫星“医院”


地面监测接收机必须配备监测站——卫星“医院”,用以进行数据采集和处理。这些数据不仅是卫星数据,还包括监测站相应区域的气候、温度、湿度、气压等信息。


“我们的监测站就像是‘中枢神经’,把地面监测接收机里所有信息吸纳过来,发送出去,接受外部的反馈信息,然后告诉地面监测接收机哪个卫星是‘健康’的。”中国电科20所所长助理、监测站总师任小伟说。


为确保北斗二号的可靠性,卫星“医院”的数据采集和传输必须确保一年365天不能断,为确保北斗二号系统精准度,其数据采集还必须有尽量广的覆盖面。在建设监测站的时候,需要通盘考虑这些因素。


从沿海到高原,从西藏的无人区到新疆的边境线,仅有9个人的建设团队在6年间横跨了整个中国进行站点的布局,面对高温高湿高寒缺氧的环境,在系统设计时就需要考虑到设备的冗余备份,保障数据的连续性和稳定性。北斗系统要求数据处理时间不得超过0.4秒,以往的软件处理时间不够满足标准要求,但中国电科20所的科研人员通过创造性的研制出数据硬件处理设备,通过硬件传输和处理信息确保了数据处理的实时性。


根据国务院发布的《中国北斗卫星导航系统白皮书》,中国将在2020年前后,完成35颗卫星发射组网,为全球用户提供服务。目前,中国电科已经派出了22名卫星“医生”,并布局了22个监测站,在广袤大地上守护“星星”们的健康,为北斗卫星导航系统全球化布局提供坚实的工程和技术保障。

(作者:丁佳)
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