北斗二十年 突破核心 西安硬科技助力打造中国时空基准
北斗导航卫星天线研发中心。（资料图片 记者 雷伟东 摄）
■首席记者杨斌鹄通讯员张昊
2018年12月27日中国对外宣布，北斗三号全球基本系统组网成功，开始向“一带一路”沿线国家和地区提供基本导航服务，标志着中国时空基准正式建立。
北斗导航卫星的有效载荷是打造中国时空基准的核心，位于西安航天产业基地的航天科技集团五院西安分院是我国北斗导航卫星有效载荷总体设计与产品研制的主力军。20多年来，西安分院坚持自主创新，承担完成了北斗一号4颗卫星、北斗二号18颗卫星全部有效载荷研制任务。北斗三号全球卫星导航系统共计35颗卫星（5颗试验星和30颗正样卫星），西安分院迄今承担了其中23颗卫星有效载荷研制任务。
自力更生走出北斗创新之路
为了建成世界先进水平的导航系统，打造中国时空基准，中国人的北斗之路已经走了20多年。西安分院作为北斗一号、北斗二号全部卫星有效载荷以及北斗三号大部分卫星有效载荷的研制单位，是北斗卫星系统的缔造者和见证者。
1990年，航天504所（西安分院前身）就开始组织力量进行导航卫星有效载荷预研攻关。1994年，国家正式批准了北斗一号双星定位系统立项，中国开始了自己的第一代卫星导航系统的研制建设。航天504所承担了卫星有效载荷系统和跟踪子系统的技术攻关和产品研制工作，这包括了几百台单机设备。经过几年的艰苦奋战，北斗一号01星、02星于2000年10月31日、12月21日相继成功发射，在世界上首次完成“双星定位”从理论到实践的跨越。2003年5月24日北斗一号03星成功发射，进一步巩固了“双星”系统的可靠性和安全性。2007年2月3日，为了进一步更新系统，在新一代导航系统成功部署之前，拓展将到设计寿命的系统的可用星，北斗一号04星载着使命奔赴太空。
2004年9月，北斗二号导航系统立项。北斗二号不仅要在大工程的设计上逐渐接近GPS，甚至在某些特色功能上要比GPS显得优越。西安分院的北斗研制团队历经8年奋斗，终于实现了高稳星载原子钟技术、星载精密测距技术、连续稳定的导航信号生成技术等为代表的多项关键技术突破。走出了一条从无到有、从有到强的北斗创新之路。
2012年，西安分院启动北斗三号研制工作，要在短短的几年时间里完成3颗飞行试验星和近20颗卫星的研制发射任务，西安分院面临着较大的能力瓶颈。据西安分院北斗三号卫星副总师张立新介绍：“西安分院研制队伍持续开展技术攻关，持续提升RDSS载荷能力，实现RDSS服务从区域走向全球，实现报文通信能力提升一个数量级，用户容量提升一个数量级，用户发射功率需求降低一个数量级，用户体验大幅提升。持续提升星载原子钟性能，最终实现长寿命、高精度、小型化、全国产，体积重量缩小近一倍，精度提升一个半数量级，达到六百万年相差一秒的精度水平。全球首创混合体制星间链路，十年怀胎孕育出30多颗星、几万公里高精度网络化测量型星间链路，有力确保了我国按计划建成高精度全球卫星导航系统。”
西安分院杨毅副院长表示，自北斗三号卫星启动研制开始，按照全国大联合思路，西安分院联合30余家国内一线科研、高校等优势单位创立“用研一体化”协作模式，集智攻关，顺利攻克多项关键技术，满足了型号研制和卫星组网需求，推动了我国卫星导航及相关技术的迅速发展。杨毅表示，为了实现导航卫星有效载荷技术的自主可控，西安分院始终致力于载荷产品的国产化。经过研制团队多年来的持续努力，多项世界级难题被攻克，实现了以原子钟、行波管放大器、开关组件、固放、隔离器5大类19个品种为代表的所有部件100%国产化。同时，在国产化元器件应用验证成熟的基础上，始终推进国产器件的应用装机，实现了自主可控，辐射和带动了一批产业链企业，相关产业能力大幅提高，为实现我国核心技术自主可控、振兴民族工业作出了积极努力。西安分院结合北斗三号卫星研制特点，大力提升宇航智造水平。通过卫星有效载荷短周期、大批量、高难度产品研制，带动数字化、网络化、智能化宇航制造建设，助力西安分院转型。开发了产品快速设计与仿真平台、过程研制条码化控制平台、集成总装测试自动化等平台，实现了产品设计过程数字化、研制过程信息化、数据测试判读过程自动化的智能化生产能力，大大缩短了单机、分系统产品的研制周期，提高了生产效率，卫星有效载荷系统研制周期由2年-3年缩短为1年-1.5年。
导航“中国心”让世界感受北斗的心跳
铷钟作为导航卫星的频率基准，直接决定着导航卫星定位、测距、授时的准确性，是整个导航卫星的心脏，更是打造中国时空基准的核心之一。西安分院是北斗导航卫星铷钟的诞生地、技术成熟地。在北斗导航卫星铷钟的研制历程中，西安分院以强有力的技术为支撑，为北斗导航卫星装上了强劲的“中国心”。
从“九五”期间先期攻关开始，到2012年北斗二号区域系统组建完成，再到2018年北斗三号基本系统组网成功。20余年间，西安分院铷钟研制团队艰辛跋涉，锲而不舍，先后交付30余台正样星载铷钟。
2003年，北斗二号卫星型号正式立项。西安分院的设计师首先着眼于铷钟的工程化应用问题。他们在原理样机的基础上，不断完善热控设计并改进电路设计，同时进行了相应的电磁兼容和力学试验，铷钟的成熟性和稳定性得到进一步完善。2006年9月9日，对西安分院的铷钟团队是个有特殊意义的节日，他们又开创了一项中国人的“第一”搭载于育种卫星上的铷钟成功开机，铷钟在失重条件下正常工作，我国第一台自主研发的星载铷钟在轨运行正常。标志着我国具备了独立自主进行星上铷钟研发的能力。
2007年4月14日，北斗二号卫星飞行试验星成功发射。卫星搭载了由西安分院抓总，北京大学、510所两家单位联合研制的两台铷钟，并作为主钟使用，且在轨表现良好。在随后发射的系列导航卫星中，铷钟研制团队不断完善技术指标和铷钟的稳定度。2012年，在北斗二号一期发射的最后3颗卫星中，改变了以往的国产化铷钟为主钟、进口铷钟为备份的搭配模式，国产化铷钟完全取代了进口铷钟，导航卫星全部装上了国产化铷钟。导航卫星铷钟实现国产化替代，不仅从研制能力上实现自主可控，而且降低了卫星研制成本。
2017年11月15日，北斗三号首发双星成功发射，西安分院为北斗三号卫星抓总研制的铷钟，在稳定度指标方面，较北斗二号区域导航系统提高了10倍，达到世界先进水平。铷钟的技术进步，直接推动了我国新建设的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，测速和授时精度同步提高一个量级，为建立中国时空基准、推动北斗导航系统更广泛的社会应用打下了坚实基础。
2018年，我国成功发射了17颗北斗三号卫星，其中的9颗卫星有效载荷由西安分院提供，而在这9颗也都装上了西安分院研制的17台铷钟，至此，该院为我国北斗二号、北斗三号导航系统累计提供国产化星载铷钟69台，有力地支撑了北斗系统工程的建设与发展。
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