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2019-11-13

  中国北斗想与GPS一决高下

  大国重器北斗三号是怎样炼成

  任何一个大国重器的诞生似乎都避免不了与发达国家同类产品拼力比试、同台竞争甚至“掰手腕”的命运作为要走进寻常百姓家的导航利器北斗更是如此。11月5日晚我国最新一代导航卫星北斗三号首次发射后人们便迫不及待想知道走向全球的中国北斗究竟能否与GPS一决高下。

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  11月5日中国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭以“一箭双星”方式成功发射第24颗、第25颗北斗导航卫星开启北斗卫星导航系统全球组网新时代。中新社发王玉磊 摄

  这可能也是航天活动不近人情的地方在最抓眼球的火箭点火、呼啸苍穹之后人们的好奇心大多留给了“火箭发射有多厉害”“飞天卫星有什么用”等问题至于其背后技术含量、研制人员辛劳程度则鲜有问津。不过这一点并不完全适用于北斗因为要真正说清楚它与GPS的区别一些技术细节甚至是技术路线问题是绕不开的。

  毕竟中国北斗比GPS起步晚了20多年不仅没能与后者站在同一条起跑线就是在之后的追赶过程中也不能说完全跻身到了同一个赛道上。以导航系统的地面站建设为例美国打造GPS可以在全世界“布点设站”而中国囿于种种原因只能在“天上”想办法攻坚卫星之间、星座之间的链路技术。

  这正应了人们常说的那句 “既是挑战也是机遇”。太空是个大舞台在这个舞台上亮相的各种卫星扮演着生旦净末丑不同的“角色”但是无论什么样的角色都有其基本功以及独门手艺北斗也不例外。中国青年报·中青在线记者就此采访有关专家揭秘走向全球的中国北斗究竟是怎样炼成的。

  “大脑”:数十颗北斗卫星“天上漂”如何不擅离职守?

  作为北斗三号卫星的打造者中国航天科技集团五院的专家给出过这样一个比方——

  假如把卫星类比成人的话那么卫星的控制系统就相当于人的“大脑与神经组织”指挥肢体完成各种工作;卫星推进系统相当于人的“肌肉组织”推动肢体完成各种工作;而能源系统相当于人的“血液循环组织”为大脑与肢体提供能量。

  而为整个卫星提供时间基准、维持时间准确性的守时设备——原子钟则相当于人的“心脏”可谓“没有原子钟就没有全球导航”。卫星之间的链路技术相当于人的“灵魂”让人与人远差距之间也能够相互感应彼此惦记做到“心有灵犀”。

  先说“大脑与神经组织”。这关乎不少人的一个疑问即“数十颗北斗卫星同时在天上漂他们如何做到不擅离职守?”

  答案是他们非常“自律”知道自我该待在什么地方。而这种“自律”就得益于被称作卫星“大脑与神经组织”的控制系统。

  按照中国航天科技集团五院北斗三号副总设计师高益军的说法控制系统就是卫星在天上保持正确轨道、正确姿态的“总指挥”它实时搜集卫星的轨道与姿态信息一旦发现有所偏离就指挥自我回到正常状态。

  高益军说有了这个北斗三号的控制分系统就相当于增加卫星“至少60天”的完全自主运行能力。这意味着一旦地面测控站出现故障期间北斗卫星仍能够正常在轨工作。

  “这样大大减少了对地面站的依赖成就‘可视’范围外对卫星的控制。并大大降低系统的运行管理成本当然这也给卫星控制系统的设计与实现带来了很大的难度。”高益军说。

  值得一提的是此次北斗三号研制任务中控制系统国产化单机达100%分系统国产化元器件占90%以上——这是高益军透露的一组数据。他说:“控制系统里没有一台进口产品。”

  至于卫星的“血液循环组织”有一个重要的组成部分名为“二次电源”它将卫星上一次太阳能或电池的电能进行转换并通过星上线缆网——相当于卫星的“血管系统”输送到各种电子设备。

  按照中国航天科技集团五院510所专家的说法电子设备有什么样的口味他们就有什么样的“电能菜谱”让卫星电子设备“大快朵颐”来完成在太空中的表演。

  “心脏”:精确定位的前提是一只“300万年1秒误差”的钟

  不少人谈及北斗、GPS等卫星导航系统第一个疑问就是“天上的‘星星’是如何‘看到’我们的位置又怎么能如此精准地‘指引’我们的方向?”

  这就不得不提到被称作卫星“心脏”的原子钟导航系统几乎都是依靠它来“掌握”时间的精度。北斗卫星导航系统总设计师杨长风说时间精度就是卫星导航的“命门”天地间时间越同步、误差越小定位精度越高。

  然而在北斗导航卫星发展初期我国并不具备研制生产星载原子钟的能力。杨长风说过去只有少数国家能够制造卫星导航系统使用的高精度原子钟但对我国实行严格限制甚至直接禁运“这才倒逼我们研制能够上星的原子钟”。

  直到北斗二号建设时他国垄断才被彻底打破。如今北斗三号建设大幕拉开我们也迎来了最新一代原子钟——“铷原子钟”。

  所谓“铷原子钟”是以铷原子跃迁为物理基础建立的一套极度精密的电子设备简称“铷钟”。其稳定度直接关乎导航卫星的定位、测速与授时功能的精度甚至可以说直接确定着导航卫星的成败。

  杨长风说北斗三号所配备的铷钟其稳定度达到E-14量级“这相当于300万年只有1秒误差”。

  中国航天科技集团五院北斗三号卫星总设计师王平说这一技术进步直接推动了我国全球导航系统定位精度由之前“区域系统”的10米跨越到后续“全球系统”米级分辨率测速与授时精度同步提高一个量级。

  五院原子频标领域首席专家贺玉玲博士透露当前中国航天科技集团五院西安分院正在研制甚高精度铷原子钟争取未来将导航卫星的定位精度、授时精度再提高一个量级届时这种追求精度极致的探索或将带动新兴产业与新兴社会应用的出现。

  “灵魂”:离“天地之间万物互联”不远了

  当然只有一颗卫星不足以称之为系统。我们常说的北斗是中国北斗卫星导航系统的简称不是指一颗卫星以北斗三号这一代为例按照计划要到2020年完成30多颗组网卫星发射才能构成全球卫星导航系统实现所谓的全球服务能力。

  另一个容易被忽略的细节是除了空间段这30多颗卫星整个北斗系统还包括地面段与用户段前者有地面基准站后者有用户终端。

  这就引出一个问题即我国很难像GPS那样在全球大范围建立地面站为解决境外卫星的数据传输通道似乎只能从“星间链路”下手——在卫星之间搭建的通信测量链路实现了卫星与卫星、卫星与地面站的链路互通。

  这就是说虽然我们“看不见”处在地球另一面的北斗卫星但通过北斗卫星的星间链路同样能与它们取得联系。

  五院西安分院北斗导航副总设计师张立新说星间链路技术就好比让北斗三号“太空兄弟手拉手”不仅相互间通信与数据传输还能相互测距自动“保持队形”可以减轻地面管理维护压力。

  当然星间链路并非只是“地面站难以大范围建设”的权宜之计也是掌握着“主动出击”“自主导航”的关键。

  所谓自主导航就是指“即使地面站全部失效30多颗北斗导航卫星也能通过星间链路提供精准定位与授时地面用户通过手机等终端仍旧能进行定位及导航”。

  张立新说因为北斗导航卫星的地面站较少地面系统的全球连续完好性监测与实时告警的时间一般需要“数十秒到几小时”而卫星上的直接监测预警仅仅需要几秒钟的时间。

  在他看来卫星自主完好性监测是北斗三号的一项新技术相较于美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯以及欧洲的伽利略等导航卫星系统中国北斗在世界上首次实现了卫星的在轨完好性自主监测功能。

  此外北斗三号的星间链路系统还能与其他类型卫星相关联联网的数量可达上百颗。张立新说:“这对于构建我国的天基综合信息网实现我国卫星之间联网具有不可小觑的作用。”

  他以遥感卫星为例遥感卫星对全球的地面进行测绘但只有卫星经过国土境内时才能将其收集到的图片信息传回地面而在天基综合信息网中遥感卫星就能够以北斗导航卫星的星间链路为“通道”实现信息的实时传输互通天地信息。

  如此也就离我们所说的“天地之间万物互联”不远了。记者 邱晨辉

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  来自生命尽头的馈赠

  从2015年1月1日起公民逝世后的器官捐献已成为我国器官移植供体的唯一合法来源此后已经有越来越多的人自愿加入器官捐献行列。在2016年我国公民去世后自愿器官捐赠有4080例捐献大器官11296个每百万人口的实际器官捐献率由公民逝世后器官捐献工作启动的2010年的0.03上升到2016年的2.98但仍与发达国家存在很大差距。从一开始的不了解到如今被更多公众所知从传统观念的“身体发肤受之父母”到选择“生命尽头的馈赠”器官捐献已经取得了一定成绩。但不可不承认的是我国器官捐献缺口依然巨大。

  逝者已矣火化之后什么都不会留下。而假如选择器官捐献让自我或亲人的生命以另一种方式延续让爱以接力的形式传递下去。那么一个器官挽救的不只是一个生命也能让另一个可能失去亲人的家庭免遭痛苦。

  那么假如有一天当死亡已经不可避免时你愿意为陌生人送上最后一份来自生命的礼物吗?

  3月31日湖北武汉红十字纪念园来自社会各界的人士向人体器官捐献纪念碑敬献鲜花缅怀遗体与人体器官捐献者。中国人体器官捐献管理中心的数据显示截至今年3月28日 我国共实现器官捐献16523例捐献器官46505个报名登记422052人4.6万余人因此得到挽救。

  人体器官捐献与移植被称为是“连接生死的桥梁”在器官捐献移植的链条中每一环节包括捐献者、协调员、移植医生、接受移植的病人等都是连接生死不可或缺的角色。清明节前夕〖工人日报〗记者走近这群人记录下他们的生死“器”约。

  最害怕明天也最期待明天

  3月8日在解放军302医院王璐瑶向记者哭着讲完了自我的经历泪水顺着脸颊不住地流淌这家医院是全国DCD(国际标准化心死亡)器官捐献救助基地。

  故事开始于2009年8月那时38年的王璐瑶感觉自我的世界崩塌了。因为一次偶然的胃病她辗转数家医院检查最终在长春某医院被确诊为自身免疫性肝炎。主治医生告诉她这是由自身免疫反应引起的肝脏慢性炎症在我国确切发病率与患病率尚不清楚但严重者可快速发展为肝硬化与肝衰竭失去生命。

  自我的人生刚刚开始下半场便时刻面临着“出局”的危险。同是中年王璐瑶身边的朋友们正忙着规划未来她却只想着能活下去辗转大半个中国求医2010年她最终确定在302医院接受肝脏移植手术。随之而来的是漫长的等待。数据显示在临床治疗中每年因器官衰竭需要进行器官移植的患者有30多万人只有不到1/20的人能够得到匹配的器官。

  住院过程中王璐瑶看到有病人在等待中绝望地离去也看到有病人通过移植器官重获新生“虽然这事急不来但忍不住去想——明天等待自我的是新生还是死亡?”2011年她把微信昵称改成了“明天”这个词让她既期待又恐惧。“最怕就是明天可能我不会再醒来;最期待的也是明天希望自我能够痊愈。”

  随着病情逐步发展肝病末期的症状在她身上尽数浮现“四肢水肿腹腔积液每隔2~3天就得输一次蛋白遇到消化道出血的情况每一次抢救都是在跟死神招手……”有一瞬间她感觉生命就如同易碎的白纸在病魔摧枯拉朽的攻势下无助地摇曳。

  然而她足够幸运等待3年半合适的肝脏终于等来了。2013年11月12日302医院的电话把她从死亡边缘拉回来“13号晚上最晚十点半到医院准备肝脏移植手术。”做完移植手术从ICU转到普通病房短短几个楼层她却仿佛走了一辈子之前病痛折磨她从没掉过一滴眼泪做完手术醒过来的一瞬间却泪流满面——那是重生的欣喜。

  大部分时间都在与死神赛跑

  “一个人活着的意义不能以生命长短作为标准而应该以生命的质量与厚度来衡量。”这段文字是29年的北大女博士娄滔患上“渐冻症”后留下的遗嘱。她最后的愿望是死后将能用的器官捐献出来。

  在我国公民自愿器官捐献工作起步的2010年当年公民自愿捐献仅34例。经过多年的艰难摸索如今捐赠事业正逐渐步入“春天”。据中国人体器官捐献管理中心主任侯峰忠介绍去年全国除西藏、青海外其它省份都进行了器官捐献年捐献数仅次于美国居世界第二位……成绩单背后不仅有捐献者们的大爱无疆也浸透着人体器官捐献协调员与无数医务人员的汗水。

  王志强是北京的人体器官捐献协调员参加工作刚满一年他便协助10余个家庭完成了人体器官捐献意愿这些器官将挽救数十位等待移植的患者。他的工作需要随时待命全年基本无休大多数时间里都在跟死神赛跑。“我快一分钟等待救治的人就会多一份希望。”他坦言假如捐献者死亡时间太久器官衰竭后极易导致捐献失败而这意味着本可获得新生的患者要继续漫长的等待。

  有一次发生在北京的一场意外车祸令驾驶员当场殒命身上只有一张身份证地址是湖南省某个偏远的县城。接到医院电话后王志强抓起身份证赶忙订了当天最早一趟去湖南的火车。从北京到湖南行程1400多公里坐了一天的高铁又走了一晚上山路终于见到了遇难者的家人随后顺利协助该家庭完成遇难者器官捐献意愿。

  但不是所有的协调都能一帆风顺。“身体发肤受之父母。碰到传统观念根深蒂固的家庭没准要挨一顿揍。”但这并不能动摇他坚守这份事业的确定“假如我们都放弃了等待的患者就更没有希望了。”

  据中国人体器官捐献管理中心统计如今像王志强一样的人体器官捐献协调员北京有200多人全国有2000多人。他们就像是生命尽头的摆渡者连接着生死传递着希望。

  你愿意为陌生人留下生命之礼吗?

  “假如有一天生命无法挽留您愿意为陌生者送上生命的礼物吗?”2017年中国人体器官捐献管理中心通过官方微信公众号向公众发起的问卷检查中这道题引起了大多数人的共鸣——参与检查的3829名用户其中超过98%的人表示了愿意。

  “器官捐献的理念已被越来越多的人所接受器官捐献的社会知晓率与捧场度明显提升由红十字会作为第三方参与的人体器官捐献体系正在逐步建立。”过去十几年从年均寥寥无几的自愿遗体捐献数量到现在高达四五千例1万多个器官捐献的数量从一度停滞的器官移植到现在每年1万余例移植手术这些年我国器官移植事业的进步让侯峰忠感到欣喜。

  然而有数据表明仅肝脏移植就有500多人同时在同一家医院等待肾脏移植有2000多人在同一家医院等待。“目前我国器官捐献率不到百万分之三点七而一些国家已经达到百万分之四十。”这份差距又让侯峰忠感到压力。

  “器官捐献涉及人的生命需要一个积极稳妥的发展过程。一方面器官捐献需要尊重本人意愿还要尊重家属的确定每出现一位器官捐献者都意味着一个生命的离开多了一个失去亲人的家庭在失去亲人的悲痛时刻作出捐献确定是很不容易的我们还需要做大量的宣传动员工作让公众真正从内心接受与捧场器官捐献;另一方面器官捐献涉及很多环节需要很多方面的协调配合是一项争分夺秒的生命接力工程需要建立一个科学完备的体系需要高效运转的机制目前在体系建设方面虽然我们取得了一些进步但是还远远不够。需要继续推动相应法规制度的完善对捐献者与捐献者家属的人文关怀服务对捐受双方的权益保护以及国家的一些配套政策等。” 侯峰忠建议从制度上进行保障让器官捐献工作进行变得更加便捷。

  2017年6月11日是我国首个器官捐献日。由中国器官移植发展基金会与中国人体器官捐献管理中心联合主办的第六届中国移植者运动会在北京大学开赛王璐瑶也报名参加了比赛。在现场她通过扫描二维码自愿成为了一名器官捐献人。“我是器官捐献的受益者我的肝脏不能用但别的器官非常健康。我希望以后能帮助到别人在别人的身体里继续活下去。”

  这也是侯峰忠的梦想。“希望我国能建立一个阳光、公正、高效的人体器官捐献体系让器官移植真正造福于社会。”

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