2007年4月14日凌晨,西昌卫星发射中心。长征三号甲拖着一条长长的火焰,把北斗二号的首颗试验星送上了太空,地面测控大厅里所有人都在鼓掌。
这颗星太关键了,它关乎北斗系统能不能在国际电联那儿把频率资源抢下来——这事儿早在2000年,中国就向国际电联申请了导航频段,按规矩七年内必须发星并成功播发信号,否则频率作废。晚一步,就被别人占了。
卫星入轨之后,团队在4月17日顺利完成信号发射,硬是在窗口关闭前,把那份宝贵的频率资源攥在了手里。
按理说,这该是个可以喘口气的节点。可到了2007年底,这颗在轨卫星在经过某个区域时,突然遭到大功率电磁干扰,信号被彻底淹没,卫星和地面之间开始间歇性失联。你喊破了嗓子,它听不见;它发回来的信号,地面也收不到。这一下,麻烦就大了。
北斗二号后面还排着几十颗卫星等着发射,首颗星就被干扰成这样,后面的星根本不敢往上打,打上去也是一堆高价废铁。几年心血、几十亿投入,可能全打水漂。频率资源是保住了,但电磁干扰不解决,整个组网工程就得停在原地。
就在这个时候,一个36岁的年轻人站了出来,拍着胸脯说:"给我三个月,电磁干扰的事儿我包了。"
这个年轻人叫王飞雪,国防科技大学卫星导航定位技术工程研究中心主任。他不是吹牛,他是真有底子。1995年,他还在读博的时候,就带着团队用三年时间解决过北斗一号的"信号快速捕获"难题,那会儿他才二十出头。
要理解这场攻坚有多难,得先说说电磁干扰到底是个什么东西。
卫星导航的原理其实不复杂:卫星在天上播无线电信号,地面接收机收信号,通过计算信号传播的时间差来定位。
可问题在于,卫星信号传到地面的时候已经微弱到极致,比手机信号还弱几百万倍。这就像你在一个嘈杂的体育场里,努力去听一个人小声说话,稍微来点噪音,就啥也听不见了。
电磁干扰干的就是这事儿——故意发射大功率的同频段信号,把卫星那点儿微弱信号一把盖过去。相当于有人在体育场里架了个大喇叭放噪音,你再想听那个人说话,门儿都没有。
干扰还分两种,一种叫压制式干扰,简单粗暴,就是功率碾压,让你根本收不到;另一种叫欺骗式干扰,更阴——它发射伪造的导航信号,让你的接收机算出错误的位置,你以为你在北京,其实系统告诉你在莫斯科。两种都得防。
王飞雪团队要解决的,就是在强干扰环境下让北斗接收机还能正常干活。说起来一句话,做起来可要命:干扰信号的功率可以是有用信号的几千倍、几万倍,你得在滔天巨浪里精确捞出一根针。
另一套叫动态干扰对消。对进入接收通道的干扰信号做参数估计,然后生成一个反相信号叠上去,把干扰抵消掉——原理和现在流行的降噪耳机差不多,发一个反向声波,把噪音抵消。
两套技术合在一起,升级后的系统就像装了个"智能听觉过滤"的大脑:只响应预设的特征码,其他一切不符合的电磁能量,统统屏蔽。压制式也好,欺骗式也罢,只要不是真正的北斗信号,一律不认。
但技术研发从来不是画图纸那么简单,整套优化方案前后推翻了三十多次,团队模拟了上千种极端干扰场景一个一个测。
那年的除夕夜,北斗团队办公楼灯火通明。整个春节假期,他们每天工作十几个小时,守在仪器屏幕前,一边盯数据一边吃饺子赶进度。演算纸堆积如山,每个人办公桌旁都摆着行军床,累了就躺一会儿,醒了接着干。
原定三个月的工期,他们只用了70天就搞定,还提前了21天交付。
最终实测数据一出来,所有人都激动了:卫星抗干扰性能直接提升了1000倍。
啥概念?以前设备只能扛住1倍功率的干扰,现在能扛住1000倍。以前那种能让你失联的干扰源,现在功率再加一千倍,也拿你没办法。
成果验收会上,时任北斗工程总设计师孙家栋院士看完测试结果,难掩激动,称赞这支队伍是"李云龙式攻坚团队",说他们危难时刻显身手,为北斗立了大功。
孙老是什么人?两弹一星元勋,中国卫星之父,主持过东方红一号,见过的大场面数都数不过来。能让他这么激动的成果,分量不用多说。
抗干扰这道坎儿一过,后面的北斗卫星就可以放心往天上送了。
从2007年到2020年,北斗二号、北斗三号一颗接一颗上天。到2020年6月23日,北斗三号最后一颗全球组网卫星在西昌成功发射,最终建成了由55颗卫星组成的全球卫星导航系统,跟美国GPS、俄罗斯格洛纳斯、欧盟伽利略并列,成为全球四大卫星导航系统之一。
而且北斗在有些地方还反超了GPS。比如独有的短报文通信功能——没信号的地方也能发短消息,这个GPS没有;再比如星间链路,卫星之间能直接通信,不用完全依赖地面站;还有更高的定位精度,亚太地区可以做到厘米级。
现在回头看,如果当年王飞雪团队没在70天里把电磁干扰这道坎迈过去,北斗至少要往后推好几年。频率是拿到手了,但组网工程极可能遭受重大挫折。
这70天,真的改变了中国卫星导航的命运。
这套抗干扰技术也没只用在北斗上。军事通信、雷达、电子战,都要抗干扰,王飞雪团队研发的这些东西,后来也陆续用到了其他国防项目里,扎扎实实提升了整个电子对抗能力。
王飞雪这个人也挺有意思。他1998年博士毕业就留在国防科大搞卫星导航。那时候北斗还是个雏形,很多人不看好,觉得有GPS用就行了,何必自己折腾。但他不这么想,他坚持卫星导航是国之重器,不能受制于人。
他常挂在嘴边一句话:"核心技术是买不来的,只能靠自己干。"
芯片、光刻机、操作系统、航空发动机,这些核心技术,别人根本不会卖给你,只能咬牙自己啃。北斗的故事说白了就是这个理儿——有决心、有人才、有投入,再难的技术也能攻下来。
现在我们用手机导航、点外卖、扫共享单车、飞无人机,甚至精准农业、灾害救援,背后都有北斗的影子。根据2022年公布的《新时代的中国北斗》白皮书,北斗已经在交通运输、公共安全、农林渔业、防灾减灾等一大堆行业深度落地,成了跟水电煤气一样的基础设施。
可很少有人知道,在北斗建设的过程中,有过这么一段惊心动魄的故事。有一个36岁的年轻人,带着团队用70天攻下世界性难题,把抗干扰性能提了1000倍,为北斗扫清了最大的一块拦路石。
下次你用手机导航的时候,抬头想想那55颗北斗卫星,再想想当年那个在实验室里啃饺子熬夜的年轻人,你大概会觉得,今天这份便利,背后是无数科技工作者的默默付出。他们不是明星,多数人叫不出他们的名字。但他们用自己的智慧和汗水,撑起了一个国家的科技脊梁。
这大概就是中国能在高科技领域一次次突破的原因吧——总有一批人,在你看不到的地方,闷声干着惊天动地的事。
参考资料:
《卫星导航定位原理》,黄丁发著,武汉大学出版社,2015年
《新时代的中国北斗》白皮书,国务院新闻办公室,2022年