北斗卫星除了导航还能做什么？建火神山医院、测量珠峰，堪称功能最多
在由中国宇航学会、福州大学主办的中国航天大会“青聚闽江”青年科学家论坛上，中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部卫星总体主任设计师冯文婧讲述了自己参与北斗卫星研制的经历以及不断追求卓越的“北斗精神”。
冯文婧近照。 （图片由中国航天大会提供）
我与北斗的缘分，是从那个夏天开始的。2010年6月，我从哈工大毕业，来到中国空间技术研究院工作。在出租车上，司机以为我是研究载人航天的，很热情地和我聊起来。当得知我是研制北斗卫星的，他当时就问：为什么要建北斗？GPS不是挺好用吗？正是从那时起，我暗下决心，一定要研制建设好北斗卫星。
『从卫星遥测遥控工作做起』
刚开始，我主要负责卫星遥测遥控总体设计工作。
当时，正是“北斗二号”研制任务的高峰期，我先后接手处理了5颗卫星的上万个遥测数据。我每天的工作就是对着电脑收集、整理、分析数据，并形成一份份上百页的报告。
面对繁重而枯燥乏味的工作，我开始产生了自我怀疑：这与我大学学的专业有什么关系？那时，我的心里有很大的落差。
直到有一次，卫星飞控任务突然出了状况：太阳翼展开指令执行之后，遥测显示，太阳翼没有完全展开。
现场突然变得异常安静，所有人的目光都投向了我们。当时，我的脑海中闪现出很多种可能。凭借着这一年多来积累的经验，我很快排除了遥测解析错误本身的可能性，明确了问题排查的方向。
太阳翼展开会对卫星的姿态产生扰动，所以紧接着，我们对卫星姿态遥测变化情况进行了快速的判断，并且将它与以往多颗卫星相同事件下的遥测变化情况进行比对、分析和计算，最终得出“太阳翼已经展开到位”的结论，从而使飞行程序得以继续进行。
这件事情对我的触动很大，原来卫星遥测并不简单。
『自主创新搭建北斗天网』
“北斗二号”收官之后，我转战到了“北斗三号”。不同于“北斗二号”，“北斗三号”采用了全新的综合电子架构，它将以往多台单机的功能进行了高效整合，形成了卫星的“最强大脑”。
导航卫星最大的任务是要提供连续的、稳定的导航信号，这就要求卫星信号不能中断，或者尽可能少中断，出现中断的间隔要尽可能短。这是很有挑战的，尤其是在复杂的空间环境下。为此，我们一方面自主研发了大量国产化元器件，以保障并提高元器件的可靠性；另一方面，作为综合电子总体设计师，我们要不断地、深入地和各分系统进行沟通，挖掘、探究影响服务性能的关键要素。
最终，我们提出了100多项自主健康管理功能，大到卫星工作模式、控制模式的自主管理及卫星时间系统的自主管理，小到任意一台单机、任意一个电子器件的自主故障检测及快速恢复，来规避故障或失误所带来的系统中断的风险。
除此之外，我们的研究团队还在太空中创造性地搭建了一套北斗天网。只要有一颗卫星在中国的领空，那么其他卫星都可以通过它和地面站取得联系。即使在没有地面站支持的情况下，整个星座系统仍可以支持一定时间内的在轨自主运行。
『两年半，30颗卫星例无虚发』
2017年开始，我更多地参与到卫星的总体设计以及全周期研制过程中。
我们搭建了一套北斗地面试验验证系统。它相当于一套地面版的北斗系统，可以支持任意场景、任意业务功能的状态模拟及试验验证需求。
要在地面建设如此大规模的系统，没有任何经验可以借鉴。一方面，我们要模拟3种轨道、不同种类卫星的功能状态，并且要具备模拟全星座30颗卫星的规模；另一方面，整个系统的研制成本还不及一颗卫星研制成本的1/10，而且研制周期也只有不到一年的时间。这对我们来说是一项非常大的挑战。
我们团队经过了多轮系统论证和技术攻关，最终设计并实现了基于3种状态模拟器组成的地面空间段系统，按期投入了验证工作。由于这套系统可以高保真地模拟星座在轨组网状态，因此每一组卫星必须通过与这个系统的手拉手、面对面验证，才能拿到通往北斗系统的准入“签证”，运往发射场，执行发射任务。借助这个系统提前发现并解决了工程上的一些bug，为提前完成组网建设和提供可靠的服务争取了宝贵的时间。
一般来说，一颗卫星从开始组装到具备发射条件大概需要10个月，就像十月怀胎一样。而要在3年内完成30颗卫星发射的目标，这听上去几乎是不可能完成的任务。
在这个过程中，我们的团队探索出了一套卫星批产研制管理的新模式，优化了研制流程，也大幅提高了工作效率。但即便如此，加班加点、长期出差仍是我们的工作常态。
最终，只用了两年半的时间，30颗卫星成功发射。
『北斗正在融入我们的生活』
如今，“北斗三号”已经完成全球组网，正式提供服务。相比“北斗二号”，它增加了精密单点定位、星基增强、大容量短报文通信、全球位置报告以及国际搜救等业务，可以说是当今世界上功能最多的全球导航系统。
“北斗三号”的在轨服务性能也有了显著提升。经过测试，其全球范围内的定位精度实测结果在5米左右，亚太地区实测结果在2米左右，甚至更优。
星空布阵的同时，北斗系统也正在逐步融入我们的生活。
新冠肺炎疫情防控工作中，北斗高精度测量设备火线支援了武汉火神山、雷神山医院，发挥了重要作用。2020年5月，中国的珠峰测量登山队第三次成功登顶世界海拔最高的珠穆朗玛峰，这是首次以北斗数据为主开展的珠峰高程测量工作，意义非常重大。
某知名国产品牌手机在自主研发的手机芯片中，优先采用北斗系统来提高手机的定位精度和定位速度。北斗的地位正在不断提升，目前，全世界已有120多个国家开始使用北斗系统。
栏目主编：龚丹韵 文字编辑：徐蓓 题图来源：新华社 图片编辑：苏唯
来源：作者：冯文婧
精密测量——科学探索的“眼睛”高端制造的“尺子”（开卷知新）
来源：人民日报
科学家门捷列夫说：“科学是从测量开始的。”“现代热力学之父”开尔文有一条著名结论：“只有测量出来，才能制造出来。”人类科学研究的革命，工业制造的迭代升级，都离不开测量技术的精进。在当代科技和工业领域，高水平的精密测量技术和精密仪器制造能力，是一个国家科学研究和整体工业领先程度的重要指标，更是发展高端制造业的必备条件。随着精密测量技术不断进步，其在科学研究、工程科技、现代工业、现代农业、医疗卫生和环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。
精密测量是工业生产的倍增器
精密测量是一个大的泛指的范畴。凡是准确度很高的各类测量，都可称之为精密测量。在精密和超精密工程领域，精密测量有具体的数量级，是指测量准确度在1微米至0.1微米量级的测量，超精密测量是指测量准确度优于100纳米，如10纳米、1纳米，甚至皮米（千分之一纳米）量级的测量。
精密测量兴起于工业大生产。规模化大生产是现代工业的重要特征，产业分工与专业化配套越来越细化，地域分布越来越广，产业链遍布全世界。也就是说，一个产品由成百上千甚至成千上万个零部件组成，这些零部件不可能由一个厂家生产，需要联合遍布各地的多个优势厂家。比如一部智能手机有1600多个零件和元器件，由分布在世界上10多个国家和地区的150多家工厂提供。这样做，能大批量标准化生产，生产效率高、质量高、成本低，优势明显。但技术层面存在一个难题——面对如此多零件、元器件，其中任何一个的尺寸精度或其他技术指标不合格，就无法集成到一起。
为解决这类问题，国际标准化组织（ISO）和国际计量局（BIPM）制定了一系列标准与规范。依据这些标准与规范，国际计量局将公认的标准量值传递给每一台测量仪器，以保证这个标准量值在全世界范围内一致。之后，生产厂商使用测量仪器，对产品的每一个零件和元器件的所有技术参数进行精密测量。这样才能保证所有的测量仪器都是精确的，测量数据都是精准的，进而成千上万的零件或元器件具有互换性。通俗地说，就是不同厂商的产品都是合格的、好用的。由此而来，精密测量已成为促进科技发展的新兴学科。
精密仪器助力科学新发现
怎样进行精密测量？这就需要实施精密测量的工具——精密仪器。精密仪器包括各类高端测量仪器、分析仪器、成像仪器、诊疗仪器和各类实验仪器等。在帮助工业生产“把关”的同时，精密仪器也是科学研究的有力工具。纵观各国科技发展历史，不难发现，科技强国一定是基础研究强国，基础研究强国一定是测量与仪器强国。大多数现代科学发现和基础研究突破，都是借助先进的精密测量方法和尖端测量仪器实现的。引力波探测就是一个典型例子。
引力波探测是直接验证爱因斯坦广义相对论、探索宇宙起源和演变的实验，具有重大科学价值。但引力波信号极其微弱，探测难度极大，采用超高分辨率的远距离激光干涉测量方法探测，是目前最有优势的技术途径。也就是说，激光干涉测量仪的测量准确度，将直接决定探测引力波的极限能力。如果激光干涉测量仪建立在地球上，其互为垂直的两路激光测量臂长至少要达到4000米。只有满足这一条件，引力波引起的激光测量臂长极其微小的变化（不超过质子直径的万分之一）才能被测量到。如果按比例放大，这一超高分辨率测量相当于在绕地球1000亿圈的长度上，检测出不超过一根头发丝直径的长度变化。经各国科学家共同努力，2016年人类首次直接测量到高频段引力波，3位相关科学家因此项成果获得诺贝尔物理学奖。
就科学研究而言，这样的探测还远远不够。为测量到低频段引力波，必须将激光干涉测量仪建立在太空环境中。这样，其互为垂直的两路激光测量臂长才能够达到数十万千米到数百万千米，激光干涉测量仪的测量准确度才有望达到1皮米。
引力波的例子很好地证明了，测量技术有多精密，科学探索就能走多远。
只有测量出来，才能制造出来
对国家而言，精密测量与装备制造业水平紧密相关。装备制造业向中高端跨越的关键是提升制造质量，而提升制造质量的关键则是提高精密测量能力。只有通过精密测量，才能知道产品哪里不合格；只有通过大量精密测量数据的积累，才能找到产品不合格的根源与规律；只有基于精密测量数据建立起成体系的误差补偿模型，才能有效实现制造精度和产品性能的精确调控，产品质量才能在不断的精确调控中逐渐提升。
超精密光刻机的研制，很好地证明了这个结论。超精密光刻机被称为“超精密尖端装备的珠穆朗玛峰”，挑战着人类超精密制造的精度和性能极限。超精密光刻机是在超精密量级上把最先进的光机电控等几十个分系统、几万个零部件集成在一起，使其高性能协同工作。它是人类装备制造史上复杂程度最高、技术难度最大、综合精度性能最强的尖端装备之一。它在高速和高加速度下，达到纳米级的同步精度、单机套刻精度和匹配套刻精度等，这与传统的精度提升环境完全不同。超精密光刻机的制造精度已接近现有制造能力的极限，其精度提升一点点，通常都要付出几倍十几倍的努力。比如，用于28纳米节点制程的DUV光刻机拥有7万多个光机零件，涉及上游5000多家供应商。这些零部件对精度和稳定性的要求极高，只有发挥供应链上所有顶尖制造商的技术优势，才能全部达到标准，超精密光刻机才能研发成功。
任何一个重要零件的不合格，都会导致超精密光刻机研制失败。以其中一个构件——激光反射镜的制造精度为例。它由微晶玻璃制成，有108项尺寸公差和62项形状、位置、方向公差，还有内部应力等技术要求。要完成这样一个复杂构件的超精密测量，需要20多种专用超精密测量仪器。而光刻机有7万多个光机零件，其中80%以上的零件属于精密和超精密级，需要700多种专用精密和超精密测量仪器。如果没有成体系的专用超精密测量技术与仪器来管控制造精度，就不可能制造出合格的零件，也就不可能装配调试出合格的部件与分系统，更不可能制造出合格的光刻机整机。
精密测量技术还推动了各国建立国家测量体系。它能够有效管控工业测量体系，保障整个制造链的质量，赋能高科技产业高质量发展。对大众而言，直观感受就是所购买的工业产品质量变好了、更好用了。目前工业发达国家的产品都经历了从低质量向高质量的曲折发展历程。正是因为建立起了完整的精密测量体系，培育起了一批顶尖超精密仪器企业，才能对高端装备制造形成强有力支撑，才能打造出诸多国际驰名品牌。
我国正在向世界科技强国、制造强国和质量强国迈进，构建新一代国家测量体系成为关键一环。今年1月，国务院印发《计量发展规划（2021—2035年）》，明确提出加快构建国家现代先进测量体系，推进计量标准建设。我国精密测量领域科研工作者将继续勇担重任，以与时俱进的精神、革故鼎新的勇气、坚忍不拔的定力，为中国制造备好“尺子”，为科技强国建设不懈奋斗。
（作者为中国工程院院士、哈尔滨工业大学教授）
制图：赵偲汝
推荐读物：
1.《中国古代计量史》：丘光明著；安徽科学技术出版社出版。
2.《精密激光测量技术与系统》：胡鹏程等编著；科学出版社出版。
3.《精密测量中的误差补偿技术》：谭久彬著；哈尔滨工业大学出版社出版。
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