地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)：北斗二號(hào)的“衛(wèi)星醫(yī)生”

在近日召開(kāi)的國(guó)家科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，北斗二號(hào)衛(wèi)星工程榮獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)。在這項(xiàng)工程中，有一位“醫(yī)生”立下了汗馬功勞。

它有一雙“千里眼”，可以穿越星海“望”到北斗二號(hào)衛(wèi)星軌道，并精準(zhǔn)的找到衛(wèi)星的位置；它有一對(duì)“順風(fēng)耳”，能“聽(tīng)”懂衛(wèi)星“語(yǔ)言”，把衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)、判斷衛(wèi)星的信號(hào)質(zhì)量和星歷信息；它有一顆“玲瓏心”，通過(guò)悉心“查”看，評(píng)判衛(wèi)星健康與否。

除了醫(yī)術(shù)精湛，它還配有精心建設(shè)的高精尖的“醫(yī)院”——監(jiān)測(cè)站，確保診斷結(jié)果精準(zhǔn)有效地傳回“診斷中心”。

它就是北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)核心支撐單位之一的中國(guó)電子科技集團(tuán)公司20所為北斗二號(hào)衛(wèi)星工程量身定制的地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)，業(yè)界人稱“衛(wèi)星醫(yī)生”。

國(guó)產(chǎn)零的突破

“衛(wèi)星醫(yī)生”醫(yī)術(shù)精湛，它的來(lái)歷同樣也不簡(jiǎn)單。眾所周知，只有“健康”的衛(wèi)星才可以參與定位服務(wù)，地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)主要作用于精準(zhǔn)“找到”衛(wèi)星，理解衛(wèi)星的“語(yǔ)言”，專業(yè)評(píng)判出一顆衛(wèi)星是否“健康”。

這個(gè)“診療”過(guò)程聽(tīng)起來(lái)很簡(jiǎn)單，但據(jù)一位技術(shù)專家介紹：“別看地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)身材‘嬌小，但就是這個(gè)只有電腦機(jī)箱大小的東西，功能卻是獨(dú)一無(wú)二，基本上囊括了地面系統(tǒng)幾乎所有的技術(shù)難點(diǎn)。”

作為北斗二號(hào)的“眼睛”，地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)必須先于所有系統(tǒng)順利研發(fā)，才能確保整個(gè)工程中其他空中和地面系統(tǒng)的順利運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，衛(wèi)星越多，定位精度越高。北斗二號(hào)由眾多衛(wèi)星組成，系統(tǒng)的定位服務(wù)性能要達(dá)到最精準(zhǔn)，這對(duì)地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)的測(cè)量和定位精度要求極高。

然而，受限于大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)和制造工藝水平的限制，以及核心技術(shù)被國(guó)外封鎖，高精度測(cè)量需要從零開(kāi)始，寬帶抗多徑天線技術(shù)需要突破，高性能抗干擾技術(shù)領(lǐng)域從未涉足……

要實(shí)現(xiàn)“地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)”國(guó)產(chǎn)化零的突破，太難太難。

“腦洞”孕育高超醫(yī)術(shù)

雖然困難重重，但是中國(guó)電科20所卻突破思維，創(chuàng)造性地提出“分布式”的設(shè)計(jì)理念，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)對(duì)首先所有技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分類，形成5大關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，針對(duì)不同的技術(shù)領(lǐng)域組成攻關(guān)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行分平臺(tái)技術(shù)攻關(guān)，在單平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)5大技術(shù)難點(diǎn)零的突破，最終在整機(jī)上進(jìn)行技術(shù)集成。

在技術(shù)集成的時(shí)候，技術(shù)人員又遇到了難題。在單平臺(tái)上，可以不用考慮平臺(tái)尺寸和硬件資源的占用問(wèn)題，但在整機(jī)上集成的時(shí)，則必須考慮到在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的協(xié)同工作。分平臺(tái)的技術(shù)難點(diǎn)本身很難突破，工程任務(wù)進(jìn)度節(jié)點(diǎn)迫在眉睫，究竟如何破解整機(jī)集成的難題？

最終，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)借鑒了銀河Ⅲ號(hào)高性能計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方式，通過(guò)在整機(jī)平臺(tái)上“動(dòng)手腳”達(dá)到集成的目的，僅用了一年的時(shí)間，便完成了大型聯(lián)調(diào)聯(lián)試30余次，大小測(cè)試科目100余項(xiàng)，所測(cè)科目均滿足試驗(yàn)大綱要求，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)裝備國(guó)產(chǎn)化率高達(dá)90%以上，對(duì)北斗系統(tǒng)精密定軌、完好性監(jiān)測(cè)起到重要的支撐作用，為北斗系統(tǒng)全面國(guó)產(chǎn)化成功“試水”，在性能上填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，被業(yè)界譽(yù)為“國(guó)內(nèi)高性能衛(wèi)星信號(hào)接收設(shè)備的至高點(diǎn)”。

最勤奮的衛(wèi)星“醫(yī)院”

地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)必須配備監(jiān)測(cè)站——衛(wèi)星“醫(yī)院”，用以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。這些數(shù)據(jù)不僅是衛(wèi)星數(shù)據(jù)，還包括監(jiān)測(cè)站相應(yīng)區(qū)域的氣候、溫度、濕度、氣壓等信息。

“我們的監(jiān)測(cè)站就像是‘中樞神經(jīng)，把地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)里所有信息吸納過(guò)來(lái)，發(fā)送出去，接受外部的反饋信息，然后告訴地面監(jiān)測(cè)接收機(jī)那個(gè)衛(wèi)星是‘健康的。”中國(guó)電科20所所長(zhǎng)助理、監(jiān)測(cè)站總師任小偉說(shuō)。

為確保北斗二號(hào)的可靠性，衛(wèi)星“醫(yī)院”的數(shù)據(jù)采集和傳輸必須確保一年365天不能斷，為確保北斗二號(hào)系統(tǒng)精準(zhǔn)度，其數(shù)據(jù)采集還必須有盡量廣的覆蓋面。在建設(shè)監(jiān)測(cè)站的時(shí)候，需要通盤考慮這些因素。

從沿海到高原，從西藏的無(wú)人區(qū)到新疆的邊境線，僅有9個(gè)人的建設(shè)團(tuán)隊(duì)在6年間橫跨了整個(gè)中國(guó)進(jìn)行站點(diǎn)的布局，面對(duì)高溫高濕高寒缺氧的環(huán)境，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的時(shí)候就需要考慮到設(shè)備的冗余備份，保障數(shù)據(jù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。北斗系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)處理時(shí)間不得超過(guò)0.4秒，以往的軟件處理時(shí)間不能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但20所通過(guò)創(chuàng)造性的研制出數(shù)據(jù)硬件處理設(shè)備，通過(guò)硬件傳輸和處理信息確保了數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。

根據(jù)國(guó)務(wù)院發(fā)布的《中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)》白皮書，中國(guó)將在2020年前后，完成35顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，為全球用戶提供服務(wù)。目前，中國(guó)電科已經(jīng)派出了22名衛(wèi)星“醫(yī)生”，并布局了22個(gè)監(jiān)測(cè)站，在廣袤大地上守護(hù)“星星”們的健康，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球化布局提供堅(jiān)實(shí)的工程和技術(shù)保障。