近日，國防科技大學(xué)空間儀器團(tuán)隊攻克星間鏈路光頻梳精密測量難題，光頻梳精密測量的測距精度優(yōu)于1.6納米，達(dá)到目前公開報告的最高水平，可為下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路超精密測量提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
該團(tuán)隊曾主持完成北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(以下簡稱“北斗三號”)星間鏈路的論證和研制。截至3月30日，星間鏈路已在軌穩(wěn)定運(yùn)行十年，有力支撐了北斗三號的全球服務(wù)。
“星間鏈路是衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的測量通信鏈路，好比是在衛(wèi)星星群之間架設(shè)的‘天路’，就如同讓衛(wèi)星互相‘加好友’，直接‘發(fā)消息’，實時共享位置，實現(xiàn)自主運(yùn)行。”北斗三號星間鏈路發(fā)明人、團(tuán)隊帶頭人楊俊對科技日報記者表示，這使得北斗三號僅在國內(nèi)部署地面站，就能實現(xiàn)全球范圍的服務(wù)覆蓋。
突破衛(wèi)星間厘米級測距
按“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，北斗系統(tǒng)建設(shè)的第三步就是構(gòu)建全球化的北斗三號系統(tǒng)。很多人擔(dān)心：前兩步還算好走，第三步很難走。
這是因為，我國很難在全球布設(shè)地面站。衛(wèi)星在境外上空將處于失管失控狀態(tài)，巨大的境外區(qū)域觀測空白對全球精度有著顛覆性影響。這成為北斗系統(tǒng)由區(qū)域系統(tǒng)邁向全球系統(tǒng)面臨的最大技術(shù)障礙。
突破障礙的關(guān)鍵就是攻克星間鏈路技術(shù)。雖然美國GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也曾嘗試應(yīng)用星間鏈路技術(shù)，但那只是建設(shè)一些“羊腸小道”，僅可作為主干道的有益旁支。北斗的星間鏈路需要建設(shè)“高速公路”，成為連接衛(wèi)星的核心主干。
2010年，空間儀器團(tuán)隊正式領(lǐng)受了北斗星間鏈路這一世界難題的攻關(guān)任務(wù)。彼時，他們已經(jīng)在衛(wèi)星測控和衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域深耕多年，并在2007年率先開展了星間鏈路論證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作。
從理論到實踐，有很多難關(guān)，星間測距儀就是眾多難關(guān)中首先需要攻克的技術(shù)。“這就好像是造一把衛(wèi)星之間的‘尺子’，在秒級時間內(nèi)，對相隔數(shù)萬公里的衛(wèi)星進(jìn)行厘米級測距。”團(tuán)隊成員郭熙業(yè)說。
太空輻射、溫差巨大等極端條件，僅僅是攻關(guān)中的“開胃菜”。更艱巨的任務(wù)是星間測距儀要在超遠(yuǎn)距離、極大動態(tài)、超高精度等苛刻要求下，在極短時間內(nèi)快速穩(wěn)定地捕獲微弱的星間信號并實現(xiàn)精準(zhǔn)測量。認(rèn)真研究后，郭熙業(yè)大膽推翻原有追求極致速度的方案，決定以“時間換空間”，適當(dāng)延長預(yù)處理時間，以壓縮捕獲范圍，提升處理效率。他還提出了精確指向、快速捕獲、精密測量等多要素一體化算法，數(shù)十毫秒即可完成星間信號捕獲。新方案使得資源利用率得到極大提升，不僅靈敏度提高了30倍，測距精度隨之提升至厘米級。
實現(xiàn)全星座高精度定軌
建設(shè)星間鏈路，還需要將所有衛(wèi)星都“管”起來，即依賴星間鏈路實現(xiàn)整個星座的精密定軌。毫無意外，這也是一個前所未有的難題，沒有成功經(jīng)驗可供參考，前路迷霧重重。
如何破除迷霧?不能只是瞎闖亂試，必須要有一套科學(xué)的方法。
楊俊介紹：“星間鏈路好像一個大型空間儀器，需要一套空間協(xié)同測量理論和方案。”從本質(zhì)上說，他們要解決的是一個多點的、遠(yuǎn)距離、大動態(tài)、高精度的測量通信問題。
“我們可以讓一顆衛(wèi)星同時與多顆衛(wèi)星相互測量，通過幾何拓?fù)浼s束來計算衛(wèi)星位置。”團(tuán)隊成員陳建云解釋道，這就相當(dāng)于單星擁有十幾條測量基線，通過形成多面體的幾何約束，計算出衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置，解決定軌問題。
他進(jìn)一步解釋：“‘同時’，只是一個相對概念，只要我們足夠快，從系統(tǒng)層面看就是同時的，類似于計算機(jī)的并行處理。”
最終，該團(tuán)隊提出了“并發(fā)空分時分”空間協(xié)同測量理論和工程方法。這是一種通過時間維度(時分)和空間維度(空分)的協(xié)同編排，實現(xiàn)多節(jié)點、多任務(wù)并行測量的導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化理論。該理論不僅可提升觀測幾何強(qiáng)度，而且解決了星座狀態(tài)變遷和擴(kuò)展應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)彈性，極大提高星間鏈路的配置靈活性和擴(kuò)展能力。這既滿足了定軌需要的單星十幾條測量鏈路需求，又解決了載荷的體積、重量、功耗等衛(wèi)星承載難題。
首創(chuàng)星間鏈路地面系統(tǒng)
通過星間鏈路，北斗系統(tǒng)可以在國家境內(nèi)對整個星座進(jìn)行控制管理，實現(xiàn)一站式對所有的衛(wèi)星進(jìn)行精密定軌和時間校對。
首發(fā)衛(wèi)星是星間鏈路方案及技術(shù)攻關(guān)成果的試金石，它的在軌驗證是頭等大事。首發(fā)衛(wèi)星發(fā)射前一年，團(tuán)隊緊鑼密鼓地開始星間鏈路載荷在軌地面支持系統(tǒng)攻關(guān)工作。
“首先要實現(xiàn)地面系統(tǒng)與星間鏈路的完美對接，確保信息傳輸?shù)母咝c穩(wěn)定。”郭熙業(yè)提出，“讓首發(fā)衛(wèi)星和地面系統(tǒng)同時指向?qū)Ψ綄崿F(xiàn)對接是很困難的，能否保持衛(wèi)星固定指向，而讓地面系統(tǒng)指向衛(wèi)星?就好比穿針引線，針和線都在動是很難穿的，但針固定不動就容易很多!”
受此啟發(fā)，創(chuàng)新性的“直捕方案”逐步細(xì)化形成。
“復(fù)雜的太空環(huán)境下，必須要讓地面系統(tǒng)準(zhǔn)確捕捉到衛(wèi)星的微小變化，并及時做出調(diào)整。”擅長硬件設(shè)計的團(tuán)隊成員孟志軍建議，“可以在地面系統(tǒng)中加裝星間鏈路的‘體檢設(shè)備’，最好能夠?qū)⑿盘柸坎杉聛恚宦┑羧魏挝⑿∽兓！弊罱K，團(tuán)隊決定將集信號采集、數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)診斷等多功能于一體的星間鏈路地面檢測設(shè)備裝進(jìn)地面系統(tǒng)。
這群星夜兼程的年輕人提前半年讓地面系統(tǒng)就位。2015年3月30日，搭載星間鏈路載荷的北斗三號首顆衛(wèi)星成功發(fā)射。2024年6月，該團(tuán)隊?wèi){借這項開創(chuàng)性成果獲得2023年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。
研究還在進(jìn)一步推進(jìn)。該團(tuán)隊透露：“星間鏈路光頻梳精密測量難題的攻克，只是下一代北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星間鏈路技術(shù)升級攻關(guān)中的一小步。除了超精密測量，我們還計劃讓星間鏈路在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)持續(xù)演進(jìn)的同時，創(chuàng)造混合鏈路新機(jī)制，并計劃突破智能組網(wǎng)技術(shù)，賦能未來更加泛在、更加融合、更加智能的綜合時空體系。”
責(zé)任編輯：陸迪
