地面监测接收机:北斗二号的“卫星医生”

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  在近日召开的国家科学技术奖励大会上,北斗二号卫星工程荣获国家科学技术进步奖特等奖。在这项工程中,有一位“医生”立下了汗马功劳。
  它有一双“千里眼”,可以穿越星海“望”到北斗二号卫星轨道,并精准的找到卫星的位置;它有一对“顺风耳”,能“听”懂卫星“语言”,把卫星信号转化成数据,监测、判断卫星的信号质量和星历信息;它有一颗“玲珑心”,通过悉心“查”看,评判卫星健康与否。
  除了医术精湛,它还配有精心建设的高精尖的“医院”——监测站,确保诊断结果精准有效地传回“诊断中心”。
  它就是北斗二号卫星导航系统建设核心支撑单位之一的中国电子科技集团公司20所为北斗二号卫星工程量身定制的地面监测接收机,业界人称“卫星医生”。
  国产零的突破
  “卫星医生”医术精湛,它的来历同样也不简单。众所周知,只有“健康”的卫星才可以参与定位服务,地面监测接收机主要作用于精准“找到”卫星,理解卫星的“语言”,专业评判出一颗卫星是否“健康”。
  这个“诊疗”过程听起来很简单,但据一位技术专家介绍:“别看地面监测接收机身材‘娇小’,但就是这个只有电脑机箱大小的东西,功能却是独一无二,基本上囊括了地面系统几乎所有的技术难点。”
  作为北斗二号的“眼睛”,地面监测接收机必须先于所有系统顺利研发,才能确保整个工程中其他空中和地面系统的顺利运行。一般来说,卫星越多,定位精度越高。北斗二号由众多卫星组成,系统的定位服务性能要达到最精准,这对地面监测接收机的测量和定位精度要求极高。
  然而,受限于大规模集成电路设计和制造工艺水平的限制,以及核心技术被国外封锁,高精度测量需要从零开始,宽带抗多径天线技术需要突破,高性能抗干扰技术领域从未涉足……
  要实现“地面监测接收机”国产化零的突破,太难太难。
  “脑洞”孕育高超医术
  虽然困难重重,但是中国电科20所却突破思维,创造性地提出“分布式”的设计理念,攻关团队对首先所有技术难点进行分类,形成5大关键技术难点,针对不同的技术领域组成攻关团队进行分平台技术攻关,在单平台上实现5大技术难点零的突破,最终在整机上进行技术集成。
  在技术集成的时候,技术人员又遇到了难题。在单平台上,可以不用考虑平台尺寸和硬件资源的占用问题,但在整机上集成的时,则必须考虑到在有限的空间内实现多平台的协同工作。分平台的技术难点本身很难突破,工程任务进度节点迫在眉睫,究竟如何破解整机集成的难题?
  最终,攻关团队借鉴了银河Ⅲ号高性能计算机的设计方式,通过在整机平台上“动手脚”达到集成的目的,僅用了一年的时间,便完成了大型联调联试30余次,大小测试科目100余项,所测科目均满足试验大纲要求,实现了整机装备国产化率高达90%以上,对北斗系统精密定轨、完好性监测起到重要的支撑作用,为北斗系统全面国产化成功“试水”,在性能上填补了国内空白,达到国际领先水平,被业界誉为“国内高性能卫星信号接收设备的至高点”。
  最勤奋的卫星“医院”
  地面监测接收机必须配备监测站——卫星“医院”,用以进行数据采集和处理。这些数据不仅是卫星数据,还包括监测站相应区域的气候、温度、湿度、气压等信息。
  “我们的监测站就像是‘中枢神经’,把地面监测接收机里所有信息吸纳过来,发送出去,接受外部的反馈信息,然后告诉地面监测接收机那个卫星是‘健康’的。”中国电科20所所长助理、监测站总师任小伟说。
  为确保北斗二号的可靠性,卫星“医院”的数据采集和传输必须确保一年365天不能断,为确保北斗二号系统精准度,其数据采集还必须有尽量广的覆盖面。在建设监测站的时候,需要通盘考虑这些因素。
  从沿海到高原,从西藏的无人区到新疆的边境线,仅有9个人的建设团队在6年间横跨了整个中国进行站点的布局,面对高温高湿高寒缺氧的环境,在系统设计的时候就需要考虑到设备的冗余备份,保障数据的连续性和稳定性。北斗系统要求数据处理时间不得超过0.4秒,以往的软件处理时间不能够满足标准要求,但20所通过创造性的研制出数据硬件处理设备,通过硬件传输和处理信息确保了数据处理的实时性。
  根据国务院发布的《中国北斗卫星导航系统》白皮书,中国将在2020年前后,完成35颗卫星发射组网,为全球用户提供服务。目前,中国电科已经派出了22名卫星“医生”,并布局了22个监测站,在广袤大地上守护“星星”们的健康,为北斗卫星导航系统全球化布局提供坚实的工程和技术保障。
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