衛(wèi)星要有高穩(wěn)定的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，需要星載原子鐘，這是導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。在建設(shè)北斗之前，中國(guó)原子鐘技術(shù)非常薄弱，原子鐘產(chǎn)品全靠進(jìn)口。進(jìn)口鐘不僅價(jià)格昂貴，而且關(guān)鍵技術(shù)掌握在別人手里，將使北斗系統(tǒng)潛伏巨大安全隱患。

“我們自己的導(dǎo)航衛(wèi)星一定要用我們自己研制的原子鐘！”北斗系統(tǒng)總師、“兩彈一星”元?jiǎng)讓O家棟說。

原子鐘工作原理涉及量子力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)等學(xué)科，指標(biāo)要求相當(dāng)苛刻。中科院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所、航天科技集團(tuán)空間技術(shù)研究院、航天科工集團(tuán)二院 203 所等單位對(duì)星載銣原子鐘一系列關(guān)鍵技術(shù)開展攻關(guān)。

這是一項(xiàng)非?！鞍救恕钡墓ぷ?，為了保證24小時(shí)不間斷地測(cè)試，科研人員經(jīng)常是白天調(diào)試，晚上盯在測(cè)試儀器前，觀察數(shù)據(jù)，一測(cè)就是一整夜。在日夜兼程進(jìn)行調(diào)試的階段，大家就像上了發(fā)條的“鐘”一樣連軸轉(zhuǎn)。

“三天三夜不合眼，那種上眼皮如同墜了鉛的感覺大家一開始很不適應(yīng)，有了第二回、第三回后大家都習(xí)以為常了?！贝蠹易鰤?mèng)經(jīng)常會(huì)夢(mèng)到原子鐘聯(lián)調(diào)的情景：如何接線、如何搭電路、示波器上如何顯示，如同真實(shí)的工作場(chǎng)景一般。有時(shí)，技術(shù)人員一覺醒來，立馬翻身下了在辦公室里的行軍床，趕緊將夢(mèng)中的情境記錄下來，驗(yàn)證、調(diào)試，困擾多日的問題竟然解決了。

2005年，203所交付了我國(guó)首批兩臺(tái)星載銣原子鐘工程化初樣鑒定機(jī)，標(biāo)志著我國(guó)原子鐘自主化邁出一大步。2007年，趕上了為爭(zhēng)奪頻率資源提前發(fā)射的北斗試驗(yàn)星，我國(guó)自主研制的星載銣原子鐘上天服役。

如今，我國(guó)已在國(guó)產(chǎn)北斗芯片、模塊、天線等關(guān)鍵技術(shù)方面取得全面突破，已掌握衛(wèi)星導(dǎo)航芯片核心技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，北斗芯片跨入40納米新時(shí)代。

特別值得一提的是，第16顆北斗衛(wèi)星開始，首次使用中國(guó)制造的“龍芯”中央處理器（CPU）。國(guó)產(chǎn)化率達(dá)到95%。衛(wèi)星上有3個(gè)被稱為“單機(jī)”的黑盒子，每個(gè)約有4本400頁(yè)的32開圖書摞起來那么大。其中兩只黑盒子里，每只裝了2片龍芯1E芯片和4片龍芯1F芯片。龍芯1E負(fù)責(zé)進(jìn)行常規(guī)運(yùn)算，龍芯1F完成數(shù)據(jù)采集、開關(guān)控制、通訊等處理功能。

北斗照耀

北斗有五個(gè)非常顯著的特點(diǎn)。

第一，是三種工作頻率。北斗使用的是三頻信號(hào)，GPS使用的是雙頻信號(hào)，這是北斗的后發(fā)優(yōu)勢(shì)。三頻有利于提升抗電離層的干擾，提高定位可靠性。

雖然GPS從2010年5月28日發(fā)射了第一顆三頻衛(wèi)星，但等到GPS衛(wèi)星全部老化報(bào)廢更換為三頻衛(wèi)星還要好幾年。

第二，是有源定位及無源定位的結(jié)合。有源定位就是接收機(jī)自己需要發(fā)射信息與衛(wèi)星通信，無源定位不需要。有源定位的好處是當(dāng)你觀測(cè)的衛(wèi)星質(zhì)量很差，仍然可以定位。壞處是在戰(zhàn)爭(zhēng)中會(huì)暴露你的位置信息。

孫家棟院士說：“有源與無源兩種體制的結(jié)合，是中國(guó)北斗的最大特色和亮點(diǎn)，也是中國(guó)北斗的優(yōu)勢(shì)所在?！薄氨倍肥前巳f多人干了20多年，我們走了一條絕無僅有的路，別人都沒走過的，我們走成了。”北斗二號(hào)總設(shè)計(jì)師助理郭樹人說。

第三，短報(bào)文系統(tǒng)。北斗的獨(dú)門絕活。基于這個(gè)功能，北斗不但能知道我在哪，還能讓別人知道你在哪。這個(gè)功能有利于求救。汶川大地震讓大家看到了北斗的優(yōu)勢(shì)，震區(qū)唯一的通訊方式就是北斗一代。

第四，建設(shè)開通速度。對(duì)比伽利略系統(tǒng)，北斗的建設(shè)速度快。此外北斗采取分步開通，而GPS之類必須整個(gè)系統(tǒng)建成后才能使用。北斗在創(chuàng)新的空間星座支持下，僅僅發(fā)射了16顆衛(wèi)星，就于2012年12月27日在亞太地區(qū)正式開通運(yùn)行，這有利于加快北斗的商用進(jìn)程。

第五，三種軌道。目前另外三個(gè)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)都采用距離地面20000千米左右的中圓衛(wèi)星軌道，而北斗是唯一采用三種軌道搭配的星座：27顆衛(wèi)星處在距離地面21500千米的中圓軌道，分布在三個(gè)軌道面上，保持55度傾角；5顆衛(wèi)星采取赤道上空35800千米高的地球靜止軌道；3顆衛(wèi)星處在地球同步軌道（也接近35800千米高）、保持約55度傾角。

北斗的地球靜止軌道和傾斜同步軌道是為中國(guó)乃至亞太地區(qū)特殊定制而來。亞太地區(qū)可以幾乎永久保持至少12顆衛(wèi)星可見，大幅提高該區(qū)域定位精度。

尾聲

12月24日，馬斯克在推特上轉(zhuǎn)發(fā)了《科學(xué)美國(guó)人》雜志的有關(guān)我國(guó)探月工程嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功發(fā)射的文章，并評(píng)論道：“中國(guó)在太空方面的進(jìn)步令人驚嘆，今年他們完成的軌道發(fā)射數(shù)量首次超過了美國(guó)。”

今年是歷史性的一年。

12月23日，在幾次拖延之后，第三代GPS系統(tǒng)的首星在卡納維拉爾角發(fā)射升空，這是2016年最后一顆GPS-IIF衛(wèi)星升空后，美國(guó)首次發(fā)射GPS系統(tǒng)的新衛(wèi)星。

2018年，我國(guó)一口氣部署了17顆北斗第三代導(dǎo)航衛(wèi)星，同樣在年底，中國(guó)宣布“北斗三號(hào)”基本系統(tǒng)開始提供全球服務(wù)。

按照北斗35顆衛(wèi)星的設(shè)計(jì)布局，今年是北斗建設(shè)史上最核心的一年，10箭18星，也創(chuàng)下了全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)最快紀(jì)錄。世界四大系統(tǒng)中，美國(guó)GPS系統(tǒng)最快紀(jì)錄為一年6星，蘇聯(lián)/俄羅斯格洛納斯系統(tǒng)為一年9星，歐洲伽利略系統(tǒng)為一年6星。

當(dāng)年，陳芳允院士提出“雙星定位”，僅僅兩顆衛(wèi)星，計(jì)劃被擱置了十年。陳先生去世已經(jīng)18年了，世界真的變了，中國(guó)也真的變了。

小學(xué)有一篇語文課文，叫《要是你在野外迷了路》，許多中國(guó)人都學(xué)過?！耙悄阍谝巴饷粤寺?，可千萬別慌張，大自然有很多天然的指南針，會(huì)幫助你辨別方向?！?

想給這篇課文加一句：天上還有些星星，是中國(guó)人建成。告訴你位置，還可以告訴最想念你的人。

想向開拓中國(guó)北斗事業(yè)的這些科研工作者致敬。

本文系觀察者網(wǎng)獨(dú)家稿件，未經(jīng)授權(quán)，不得轉(zhuǎn)載。