编者按
年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在京举行,中国向世界庄严宣告:中国自主建设和运营的全球卫星导航系统全面建成!中国北斗开启了优质服务世界、造福人类的新篇章。在中国独立自主的北斗卫星导航系统研发过程中,众多科研团队以过硬本领和爱国激情,攻坚克难,科技报国。国防科技大学北斗团队就是其中一个重要团队,本报推出报告文学《北斗突击》,讲述其可歌可泣的动人故事……
作者龚盛辉
放眼寰宇,茫茫太空翱翔着各种卫星,时刻为人类活动提供各种服务。其中有一种卫星叫导航卫星,它们就像一双双“天外慧眼”,俯瞰地球,让人们随时知道自己身在何处,欲去往何方。有了它们,海洋里的航船在礁群浪丛间从容穿行,天空中的飞机在茫茫云海上永不迷航,陆地上的车辆和行人在歧途岔路间找到方向……
卫星导航技术成为世界强国志在必得的重要战略技术。对于中国而言,拥有自己的导航技术,可以捍卫大国尊严,维护世界和平、造福世界人民。这是大国的格局,大国的眼光。年,中国做出重要决策,研制发展中国独立自主的北斗卫星导航系统。
从此,国防科技大学北斗团队开启突击之旅。
1迎战“瓶颈”
刚刚完成一项重大国防科研任务的国防科技大学电子技术系青年教员雍少为前往北京调研,当他得知我国北斗卫星导航定位工程启动的消息,激动万分。
雍少为回到学校,把这一令人振奋的消息告诉王飞雪、欧钢等几名在读博士研究生,大家抑不住热血沸腾。北斗导航工程,这是国家强盛、民族振兴之举,也是学科发展的大好机会,更是青年学子千载难逢的科研创新、建功立业的大平台啊!他们决心抓住这个机遇,融入工程,为国家信息化建设作出贡献!
不久,有关部门组织召开北斗工程建设“诸葛亮会”,王飞雪应邀与会。在参观实验场时,工作人员向专家们介绍多年艰苦探索取得的丰硕成果。王飞雪一边听讲解,一边飞速转动大脑,思考着北斗工程的核心技术问题——信号“快捕精跟”。
这一关键核心技术解决了吗?又是如何解决的?王飞雪一直期待着讲解员介绍这项技术,可直到参观考察结束,讲解员对它只字未提。即将离开实验场时,王飞雪终于忍不住把讲解员拉到一边,悄声问道:“信号的‘快捕精跟’,你们是如何解决的?”“这个……”讲解员一脸茫然。
王飞雪眼前一亮:北斗导航工程立项启动不久,信号“快捕精跟”问题,严严实实地堵住了北斗一号的工程进展。能否实现对信号的“快捕精跟”,将成为决定北斗一号整体性能,甚至左右整个工程进展的关键。解决这个制约北斗工程的“瓶颈”,不就是跻身北斗导航系统建设行列最直接的通道吗?
王飞雪向他的博导郭桂蓉教授汇报了自己的想法。得到了郭桂蓉教授和单位领导郁文贤的肯定与支持。他们立刻前往有关部门请战。谭述森、李祖洪听了他们的来意后,不约而同地相视一笑,然后轻舒一口气说:“这个关键技术攻坚战,总算等来了增援部队。我们举双手欢迎国防科技大学科研团队参与北斗工程攻关。”
在深入调研的基础上,国防科技大学北斗团队将新兴的计算机技术引入卫星信号处理领域,提出全数字信号处理技术这一崭新的技术路线。
郭桂蓉教授仔细审查了他们的技术论证报告,轻轻地点了点头:“从理论论证角度看,这一技术路线可行。”
在仿真试验取得理想效果后,王飞雪、雍少为等几名年轻人,斗胆联名给北斗一号“双星定位”理论开创者陈芳允写信,提出了崭新的技术路线方案。
陈芳允在办公室读完这封信和论证报告后,脸上浮出了淡淡的笑容,轻轻靠向椅背,紧皱的眉宇渐渐舒展开来。
不久,有关部门组织“快捕精跟”立项论证会,80岁高龄的陈芳允亲自主持立项仪式。
由于他们采用的是最新的技术路线,堪称世界首创,大家心里都有些不托底。因此,立项表决时,只有陈芳允、孙家栋、李祖洪、谭述森等几名专家表示支持,其他大部分专家都持保留态度。
难以决断之时,陈芳允一锤定音:“我支持国防科技大学北斗团队,我相信他们一定能够解决这个久拖不决的问题,实现‘快捕精跟’,为北斗工程扫清障碍!”陈芳允拿起签字笔,郑重地在研制方案报告上写下自己的名字。
2突击、突击、突击……
几天后,国防科技大学北斗团队正式拉开了“快捕精跟”关键技术攻坚的序幕。
7月的长沙,骄阳似火。暑假的校园,人去楼空,但他们依然在实验室里忙碌,闷得满头大汗。全身都湿透了,就跑到水龙头底下冲个凉水澡。在三伏天里,他们几乎每天要冲四五次澡。
把所有节假日都搭进去了,他们觉得科研进度依然太慢。每天加班到深夜,他们觉得工作进展还是不够快。为把往返食堂的时间省下来,他们把一箱箱方便面搬进实验室,肚子饿了就泡一包。但依靠方便面充饥,长此以往身体也扛不住,于是他们商定每周到校外改善一次伙食。可每次到饭店吃饭,他们都要等几十分钟才能吃上菜,觉得这样太浪费时间。大家一商量,就把吃炒菜改为吃蒸菜。全是现成的,到了就吃,吃了就走,不耽误事。
做出了工程样机,紧张的测试接踵而至。这期间,他们扛着仪器设备来回奔波于石家庄、北京等地,不是在实验场上忙碌,就是在路上奔波。
终于有一天,显示器上的脉冲信号快乐地闪耀起来,不仅成功捕获了信号,而且达到了“快捕精跟”的性能指标。
紧接着,他们又于年春节后,走进北斗一号系统联调大厅,打响了“快捕精跟”技术攻坚第二次战役——系统联调。和他们一块儿来到这里的,除了庞大的“快捕精跟”设备,还有行军床、军用被、洗漱用具、速冻饺子、方便面和一箱速溶咖啡。
从此,这里就成了他们全天候坚守的攻关阵地,几个人忙得像陀螺,整日在设备与测试台之间转来转去。饿了就泡包方便面,或煮上一锅速冻饺子;累得眼皮子都撑不开时,就泡上一杯浓咖啡提提神,直到实在坚持不住时,才打开行军床……他们每天几乎都要工作二十个小时左右。
年5月,他们终于等来苦尽甘来的日子:测试得到的第一批“快捕精跟”数据,效果远远超出了大家的期望值。
陈芳允听到报告后,抑不住拍手称赞:“效果这么好,太令人兴奋了!”
北斗“快捕精跟”技术设备,先后获全军科技进步一等奖、国家科技进步二等奖。
3降服“太空魔王”
北斗二号首星发射惊心动魄,但对于充满磨难与坎坷的北斗导航系统建设来说,仅仅是个序曲。
北斗二号首星进入轨道不久,太空又突然跳出“魔王”,再次挡住了北斗的去路:卫星在某一区域遭遇大功率复杂电磁干扰,信号接收率大大降低,经多次故障归零,问题始终无法解决。
虽然北斗卫星设计了抗干扰措施,但没想到干扰强度如此巨大,这意味着天上的北斗导航卫星形同虚设,继续发射卫星也是瞎子点灯——白费蜡。换句话说,这个问题如果不能及时解决,即将组网的其余卫星发射计划将被无限期推迟。
国防科技大学北斗团队再次临危受命,担当攻关重任。
欧钢代表团队前往北京受领任务,正准备汇报团队攻坚思路时,相关领导示意:“方案就先别说了,你先回答几个问题。”欧钢合上文件夹,应道:“是!”“信号频率不能变,下颗星发射计划更不能变,卫星抗干扰指标不仅要提升,而且还要提升到完全把干扰压制住,你们能不能做到?”“能!我们一定能!”“这,可是要立军令状的。”“我们立军令状!3个月,保证一天不延!”
团队领导班子决定,全中心其他所有项目都停下来,中心所有人员聚力攻克“太空魔王”,并对大家提了一个严苛的要求:“每个人的工作必须环环相扣,做到万无一失,绝不允许出现任何纰漏!”
大家一下子炸了锅:不允许出错,谁能保证?这有可能吗?
团队做出一致决定:不能保证,也得保证!这个任务一开始就是倒计时,一天的富余量都没有。出现差错就要反复,任务就无法按时完成!在非常任务面前,在非常时刻,我们必须采取非常举措,把“不可能”变为“可能”!
大家一下子安静下来,然后默默离开会议室,开始背水一战。饿了,吃盒饭;困了,在沙发上躺一下,爬起来接着干。每个人都像打仗一样,严格按时间节点,无差错、高质量地推进任务进程。
团队以惊人的毅力、超凡的付出,兑现了他们的庄严承诺——规定时间3个月,但他们只用了70天!
经测试,他们研制的抗干扰卫星载荷,性能指标比原来大幅提高!
在成果验收会上,大系统总设计师孙家栋院士向他们竖起大拇指:“你们临危受命,关键时刻敢于亮剑,又打了一个漂亮的攻坚战,不愧是‘李云龙式’的攻坚团队!”
4架设“天路”
当初,中国北斗导航系统建设“三步走”战略公布后,曾有一些国际友好人士为中国担心:“北斗‘三步走’,前两步好走,第三步很难走。”而那些喜欢看中国笑话的人则窃喜:“北斗二号仅覆盖亚太地区,对于中国不是问题,可北斗三号要覆盖全球,看你中国怎么走!”
这一步,的确太难走!
作为全球卫星导航系统,不仅需要在太空布设数十颗卫星,同时要在地球上各个地区建设众多的地面站点。如果不能在全球布设站点,就建不成“地网”,这是北斗卫星导航由区域向全球拓展面临的首要亦是最大障碍。
难道因为不能在国外布站,北斗全球系统就不建了?北斗工程“两总”(总指挥和总设计师的简称)的回答是:全球卫星导航系统,中国不仅要建设,而且还要建成世界一流水平!北斗工程“两总”大胆决策:既然不能走“陆路”,我们就走“天路”!在星星之间、星地之间,架设“天梯”,织成一个“天罗地网”,建立星间链路系统!
那么,星间链路到底是一条什么路呢?星间链路是航天器与航天器、航天器与地面站之间具有数据传输和测距功能的无线链路。
星间链路,是典型的中国特色、北斗绝技!
星间链路,既是北斗三号全球导航系统建设的关键,也是世界卫星导航的奇迹,是太空通信的“世界第一网”。要确保信息通畅,安全可靠,必须首先进行总体设计。北斗工程“两总”把这一任务交给了北京跟踪与通信技术研究所。在北斗工程“两总”领导下,北京跟踪与通信技术研究所联合中国空间技术研究院、上海微小卫星工程中心、清华大学、武汉大学等单位的技术力量,很快完成了星间链路信息传输协议设计。在此基础上,北斗工程“两总”面向全国组织星间链路项目招标。经过一番竞争,中国空间技术研究院、国防科技大学空间仪器工程团队等三家单位成功中标,成为星间链路主要研制单位。
国防科技大学空间仪器工程团队,对星间链路技术攻关可谓期待已久。
早在年,他们在对北斗全球系统关键技术进行分析预研的基础上,成立了星间链路项目组,并在杨俊的带领下,自告奋勇、自筹经费,开始展开星间链路基础技术探索。
星间链路把地面工程搬到了天上,成功地解决了全球系统观测弧段短、管控不及时的难题,可工程实现难度也随之翻了几番:不仅测量距离、信息传输量增加了一个数量级,而且卫星以每秒七八公里的速度运行,要相互对准难度本来就很大,相隔几万公里的卫星之间要实现厘米级距离测量,工程实现难上加难。
此前一些国家曾尝试星间链路技术,但打个比方说,那充其量是乡间小路,甚至是羊肠小道。而北斗的星间链路,需要的是三车道、四车道高速公路,甚至是“太空高铁”,是中国航天的伟大创举!
为给北斗啃下这块硬骨头,王跃科、杨俊给大家做了个既别开生面又令人刻骨铭心的动员。
“星间链路好比一块坚硬的石头,成功的美玉就在石头中心,只有把石头捏碎了,才能看到美玉。”说罢,王跃科真的从兜里摸出一块石头,咚的一声放在面前的桌子上,“现在这块石头就摆在我们面前,我们有两种选择:要么不去碰它,要么把它捏碎在手里。如果大家不愿碰它,现在还来得及。”
大家说:“为国家大工程做贡献的机会难得啊,怎么能放弃呢?”
王跃科一把抓住桌上的石头说:“既然要把它捏在手心里,那我们就捏牢它,我们宁可把手腕捏裂,也要把它捏碎。”
就这样,他们带着“宁可腕裂,力求石碎”的决胜信念、决绝勇气和决然毅力,对星间链路发起了强烈攻势!
此后两年时间里,项目负责人杨俊带领大家死死捏住它不放,捏得虎口开裂流血,捏得双手皮开肉绽,但他们越捏越紧,硬把星间链路这块石头捏开了一条缝——提出了全球领先、测量与通信兼容的Ka星间链路方案,并经过多轮竞争性评选,终于从众多竞标团队中脱颖而出,成为三家星间链路承研单位之一,获得卫星导航重大专项支持。
杨俊带领项目组攻克Ka星间链路系列核心技术,实现了有关技术性能的一系列跨越:测试覆盖率从30%提升到%;PDOP(位置精度强弱度)指标提升了十到三十倍;测距精度达到七万公里厘米级(相当于能看到两千公里外的一根头发丝);温度控制性能比原计划提高一倍!
进入工程阶段后,北斗工程“两总”经过反复研究斟酌,决定采用国防科技大学团队的波束扫描技术方案(Ka星间链路)。
5星间恋歌
Ka星间链路系列核心技术的优异性能,凝聚了国防科技大学团队多少心血与汗水!这中间又发生了多少感人的故事!
郭熙业从年读本科到年博士毕业,是名副其实的十一年苦读:在硕士和博士研究生期间,他就参与了多个重大工程项目攻关,忙得年近30岁了,连与苦恋了三四年的未婚妻操办婚事的时间都没有。
博士毕业时,他想,该与她结束苦恋,成家立业了。哪知,郭熙业刚参加毕业典礼回来,导师王跃科、杨俊就把他叫到办公室。
“郭熙业,请坐。”两位导师笑眯眯地望着面前这个年轻的科研老兵说,“我国北斗导航系统要服务全球,要建成世界一流导航系统,必须要攻克星间链路系统这一瓶颈,‘两总’把这个光荣而艰巨的任务交给我们,我们一定要打赢这场攻坚战。你的师兄们已经在冲锋陷阵,在方案设计论证上取得了创新性突破,今天找你来就是要你即刻投入这场战斗。”
年春天,郭熙业风尘仆仆地前往成都中电集团某研究所,开始投身星间链路攻坚战。
郭熙业知道自己肩上的担子有多重。星间链路技术路线是中国独创,是中国北斗系统迈向全球的唯一出路,是一座“独木桥”,是建成世界一流导航系统的关键。
星间链路技术路线也为工程实现之路增添了重重关卡,把“手拉手的串行”,变为“面对面的并行”模式,相对关系由静止变为每秒变化七八公里,测量与信息传输距离增加数倍甚至数十倍,给对准、测量和通信带来极大的困难。
如何破解距离、速度和精度的矛盾?
空间仪器工程团队创造性地提出了崭新的星间链路技术体制,不仅在天上架设了“高速公路”,而且让一颗颗卫星有了“弹指神功”,想指哪里就指哪里。这一技术体制,在世界航天领域是别人没碰过也不敢碰的超难技术。因此,研制设备、试验数据……都是零,需要研制各种设备,需要进行大量的试验,需要收集海量数据,需要从中寻找出各种规律及各种信息处理的方法……这些工作,量有多大、难度有多高,可想而知。
攻关难度超常,而完成任务还不能超时。北斗工程建设就像一列高速运行的列车,每一个站点都有严格的时间节点,车上哪个系统、哪个环节出了问题,都会导致列车受阻,影响工程建设进程。
郭熙业埋头追赶着北斗工程建设的“高速列车”。他给自己定下了一个雷打不动的工作制:每周工作7天,每天16个小时;攻关遇到问题,不解决不下班;工作时间手机关机。而实际情况是,几乎每天都会遇到难题,几乎每月要熬十个通宵。每天最大的享受,就是打开手机给未婚妻打个电话,听听她的声音,听她聊聊工作中的酸甜苦辣,也听听她的爱恋与埋怨。
一天,未婚妻对他说:“熙业,你再忙,也得挤时间把咱们的婚事办了。咱们从你读博时开始恋爱,都三四年了,算是标准的马拉松了,再不办婚事,咱们都成剩女剩男不说,别人都会以为咱们感情出问题了。”
是啊,他爱事业,也同样爱她,为什么不“鱼和熊掌兼得”呢?于是,他给自己加码,腾出两天时间,在年7月26日上午飞回长沙,在机场与她会合,手挽手走进婚姻登记所,领了红彤彤的结婚证,并商定这个国庆节回东北老家举办婚礼。
郭熙业的项目攻关走完一个阶段后,上级前来联合检查。有关部门对这次检查很重视,北斗工程总师、副总师都来了,看了他们的星间链路模拟演示后,孙家栋总设计师说:“你们要继续加强攻关,把一个个未知难题搞清楚,并进行充分验证,确保在工程建设中好用、管用。”
孙家栋总设计师对他们前期工作的充分肯定和鼓励,让这个三十出头的小伙子感到万分激动和信心十足。
年春节过后,郭熙业返回成都。不久,妻子传来喜讯:“熙业,咱们的小宝宝要来了。”可没多久,妻子又传来消息,她出现流产征兆,医生让她必须卧床休息一个月。
百忙中,思妻心切的郭熙业想尽办法挤出时间回来探望妻子,轻轻地对她说:“我给你洗个头吧。”他上锅炉房打来热水,轻轻托起妻子的头,浇上温水,和上洗发液,慢慢地搓洗,轻轻地梳理……洗完头,他又马上返回成都,一头扎进了实验室。
有关部门组织的星间链路设备比测开始了。参加比测的几家单位,都拿出自己精心生产调试的设备进行对抗式演示。让郭熙业没想到的是,第一场比测,他们竟然输了,而且输得很惨!
怎么会这样?郭熙业连续一周失眠,大脑高速运转,仔细梳理系统设计方案,检测每个设备的技术状态,终于找到问题的症结所在。而如何解决问题,他面临两种选择:一是在原方案上打补丁,堵住漏洞,提升设备性能;二是推翻原有方案,另起炉灶,设计新的算法。前者实现容易,但性能提升空间有限;后者前景广阔,但推倒重来需要耗时半年,而距离下一场比测又只有一个月时间!
郭熙业毫不犹豫地选择了后者,用一个月干完了原来加班加点半年才能完成的任务。
第二场比测,郭熙业团队的设备反败为胜,而且性能指标大幅跃升,让其他单位惊叹不已。
那天,郭熙业走到镜子前一看,险些把自己吓住了:镜子里的自己,头发又乱又长,脸庞又黑又瘦,眼窝深陷,他都快认不出自己了。
但郭熙业没有松劲,带领团队继续加班加点深入挖潜,继续完善改进设备,在第三场比测中,他们以绝对优势稳占鳌头……