打通“天路” 星间链路让北斗瞰世界

  北斗卫星导航系统（BDS，简称北斗）是中国自主研制的卫星导航系统，也是继美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的全球卫星导航系统。

  我国很难在全球布设地面站，仅靠境内地面站建立星地链路，70%以上的境外区域处于观测盲区，对BDS的全球精密定轨、实时管控和自主运行产生致命影响，这成为北斗导航由区域系统向全球系统发展面临的巨大屏障。

  国防科技大学教授杨俊带领空间仪器团队持续开展科研攻关，发明了大型复杂星座“精密测量链”“全球控制链”“时敏数据链”三链合一的全球星座弹性多模星间链路，在卫星与卫星、卫星与地面站之间架设“天路”，消除了境外区域观测盲区，让北斗卫星导航系统可提供全球服务。

  今年9月19日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭与远征一号上面级，成功发射第59颗、60颗北斗导航卫星，为北斗三号系统建设画上了完美句号。《中国科学报》记者近日走进国防科技大学，进一步探索该校空间仪器团队架设星间链路背后的科研故事。

  我国长期受限于境内布站，卫星在全球的观测弧段只有30%。“这在某种程度上预示着北斗只能应用于我国境内和周边，没法为全球提供高质量服务。”杨俊表示。

  一般地，全球卫星导航系统包括空间部分、地面控制部分和用户终端部分。空间部分时空基准由于多种因素影响往往不是完全准确的，这就需要空间部分与地面控制部分进行校准，这样才可以实现高精度。

  美国GPS在全世界内建设了数十个地面站，通过地面组网打通了“陆路”，直接为卫星提供运维管控和时空基准，确保GPS的高精度安全稳定运行。

  “BDS全球观测弧段只有30%，全球精度会有很大影响。”杨俊解释说，GPS布设在太空的每一颗卫星，都可以和地面站连通，这就可以维持很好的时空基准，而BDS在国外没有布设地面站，那些地区就是盲区，精度也难以保障。

  BDS要提供全球服务，就必须打造导航卫星全球一张网，解决这70%的境外观测盲区问题，从始至终维持高精度的时空基准。

  如何破题？既然“陆路”不通，那就另辟蹊径。为此，国防科技大学空间仪器团队尝试在卫星与卫星、卫星与地面站之间架设“天路”，搭建具有数据传输和精密测量功能的无线链路。

  此前国际上尚无相关经验，更谈不上理论成果。凭借在航天测控平台与卫星通信载荷领域的深厚积淀，空间仪器团队发明了大型复杂星座三链合一的全球星座弹性多模星间链路，解决了“境外卫星连续实时管控”“精密定轨与时间同步”“自主运行”等核心需求，使得域外观测盲区的天堑变成了通途，这成为北斗导航系统从区域走向全球的“机括”。

  所谓星间链路，就是在卫星高速运动条件下快速建立链路，在相距数万公里的卫星间实现厘米级测距精度，在星座几十颗卫星间并行同时建链而互不冲突，在缺乏地面支持情况下仍可长期保持卫星时空精度。星间链路作为全球卫星导航系统公认的技术制高点，是世界性的重大科学技术难题。

  此前已有的星间链路，大多是在两颗卫星之间架设一座“独木桥”，只实现了单链静态拓扑、单一传输功能。而北斗星间链路则是要修建整个星座系统的交通网,需要的是“高速公路”，甚至是“太空高铁”，这是中国航天的重大创举。

  目前，我国已成功发射60颗北斗导航卫星，这些卫星由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成，不同轨道的高度不同，最高的约3.6万公里。卫星相对运动速度最大约每秒4.8公里，它们之间的距离很远，有的达到六七万公里。

  “以前当卫星在我国上空运行时，因为地面站能联接卫星进行测控定轨，这些区域中卫星是受控的。而到了其他几个国家尤其是进入南北极上空后，地面无法和卫星互联，卫星处于失控状态，这样的一种情况下更谈不上传输精准的信息。”国防科技大学智能科学学院副研究员孟志军说。

  北斗星间链路兼具测量和传输两大功能，既要满足全球定轨的多星协同精密测量和观测几何强度需求，一颗星与十多颗卫星建链，又要满足实时传输的无中心弹性组网和多系统开放互联需求，是北斗系统建设的核心瓶颈，国内外均没有可借鉴方案，属于世界性难题，必须从理论和技术上自主创新全面突破。

  为此，杨俊带领空间仪器团队加强基础研究，首创了大型复杂星座自主定轨协同测量理论与方法，研制了核心载荷，构建了星座动态适应、开放互联、无中心弹性的测量通信融合网络，实现了星载实时高精度短弧段动力学双模自主定轨与时间同步，明显提升了全球定轨观测几何因子，高效承载了星间动态时敏信息网络传输，定轨和钟差精度均得到很大提升，与其他GNSS相比整网平均传输时延降低5倍以上，信息传输速率提高了10倍以上，成为了北斗系统的技术基石。

  “基于这些创新研究，北斗导航卫星能够准确清楚自己的时间和位置，而且处于受控状态，各司其职。即使卫星运行在我国国土上空以外的地方，也可以通过卫星与卫星、卫星与地面站之间的协同测量通信网络，实现自主实时的卫星管控与高精度时空基准维持。”国防科技大学智能科学学院副研究员郭熙业表示。

  星间链路的建链速度，决定了其运行效率。“这就好比我们日常使用电子设备时接入WIFI的时间，肯定是越快越好。”郭熙业说。

  “关键技术不能受制于人。北斗星间链路的瓶颈难点在于空间精密测量与数据传输，要解决大尺度、高动态、强干扰条件下星间精密测量数据的稳定连续获取难题。”杨俊表示。

  为了破解这一难题，上述团队自主创新，独创了测量通信融合的星间抗干扰精准测量与校正方法，研制了星间链路核心载荷装备，将首次建链时间从秒级缩短到百毫秒级，实现了强干扰下星间数万公里距离上厘米级精准测距，测量相对误差小于十亿分之一。

  “此前卫星星座网络相互建链是一个很长的过程，比如GPS星间链路的完整建链周期约几十秒。”孟志军表示，北斗卫星的组网工作速度非常之快，团队基于上述技术的创新，使得北斗星间链路实现快速建链、精确测量。比如在全球任何一个地方有突发情况，我们极短的建链时间就能让卫星更快地获取信息、更准确地实施卫星管控、更高效地提供用户服务。

  论证建设过程中，如何保证完整系统性能又是一重要课题，这在某种程度上预示着一定要解决复杂星座星间链路测量、通信、组网、自主定轨等在轨试验、组网演进和体系寻优的难题。

  “我们独创了星座组网虚实结合、天地一体的整网试验评估方法，构建了基于‘在轨实星实装+地基构造卫星+数字虚拟卫星’的LVC星间链路整网综合试验评估环境，打造了一把‘金刚钻’，取得星间链路首星首试圆满成功，保证了北斗三号超前完成部署，顺利开通全球服务。”杨俊说。

  2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式建成，面向全球用户更好的提供完整的全天时、全天候、高精度全球定位导航授时服务。

  杨俊表示，正是在国内外没有可借鉴方案的情况下，团队解决了境外卫星连续实时管控等技术难题，突破了星间链路的技术屏障，使北斗卫星导航系统从区域迈向全球，成为北斗自主创新和领先GPS的核心标志。这也使得北斗卫星导航系统真正成为中国首个实现全球组网运行的航天系统。

  据介绍，Inside GNSS杂志曾报道称，北斗完成星间链路测试，是全球唯一用此功能提升精度的卫星导航系统。《麻省理工科技评论》将“超高精度定位”列入2021年“十大突破性技术”，中国科学院院士杨元喜在《中国科学基金》对其专题解读称，北斗超高精度定位得益于星间链路支持下获得的高稳定钟差。国际导航服务组织（IGS）工作组主席O. Montenbruck在世界导航大会（IEEE/ION PLAN）上指出，北斗因使用星间链路，卫星轨道精度明显优于GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟Galileo等系统。

  北斗三号全球系统正式开通后，经过三年稳定运行。2023年5月，由13位中国科学院院士、中国工程院院士组成的科技成果鉴定委员会认为，国防科技大学空间仪器团队研发的星间链路是北斗三号全球系统实现世界领先的关键支撑，该成果属世界首创，研制难度很大，核心关键技术自主可控，总体技术水平国际领先。

  如今，全球大规模星座系统正如火如荼建设，分布式卫星系统协同应用对时空基准的要求慢慢的升高，对星间数据传输的需求越来越迫切，需要构建精密时空基准泛在、测量通信一体化的星间链路网络。

  “北斗星间链路，从理论上和实践中证明了空间协同测量理论提升卫星星座在轨服务性能的可行性和有效性。”杨俊介绍，星间链路体制以其优异的弹性组网和跨域互联能力，已扩展应用到中国某星座、载人航天空间站等航天重大工程的多域相互连通，形成全球实时覆盖的测量通信一体化天基网络，极大地提升航天全球服务能力，战略价值巨大。

  “星间链路建设一直在路上，空间仪器团队将进一步开展多元融合的天基综合信息系统研究，推动我们国家天基信息从被动支援向自主服务转变，实现频谱资源按需分配、动态释放，建设开放、共享的智能天基系统，打造天基系统命运共同体。”杨俊表示。

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