北斗三号卫星总设计师林宝军：北斗导航技术超越GPS，这是怎么做到的

转自：林宝军

不久前，中国科学院微小卫星创新研究院副院长、北斗三号卫星总设计师林宝军在复旦大学管理学院新年论坛上作了主旨演讲。在谈及北斗研发之路时，林宝军表示，北斗全球卫星导航系统的整体核心指标已经超过美国的GPS。他勉励中国科学家要建立自信，不要总觉得自己不可能超越别人。以下为演讲主要内容。

中国技术能否超越欧美？实际上，有部分中国人认为，我们不可能超过欧美。

我有一次去调研，对方问我：咱们的北斗怎么样了？我说核心指标已经超过GPS。他很震惊，说：美国的GPS那么强大，是美国航天的三个里程碑之一，你们才干了十几年，是不是一些指标在特定的情况下比别人好，就说成是超过别人了呢？我说：不是，我们导航系统的核心指标确实已经超越美国了。他说：你凭什么能比别人强呢？我指了一下脑子，说：凭这。

我们中国科学家要通过努力、通过创新建立自信，不要总觉得自己不可能超越别人。

我从事载人航天工作15年，后来成为北斗三号卫星总设计师也已经有十多年了。我今天就和大家分享一下我们在北斗系统研发过程中的创新经历和感悟。

『北斗三号的独家技术』

首先讲一下北斗三号全球卫星导航系统的技术突破与创新。

作为一个导航系统，时频是一个制高点技术。卫星导航之所以成立，是因为我们可以把时间测准。

一开始，我们采用的是国外进口的铷钟，但铷钟并不是最好的，氢钟比铷钟更好。通过努力，上海天文台的林传富等科学家制造成功了世界上第一台双频氢原子钟。我们又自主研发了无缝切换技术——让氢钟和铷钟同时工作，如果氢钟坏了，可以无缝切换到铷钟。这个切换速度可以达到20×20的负12次方秒，用户连感觉都没有。由此，我们独立掌握了卫星导航系统的时频技术，北斗卫星的精度比美国高了近一个量级。

第二项技术是全球首创的Ka相控阵星间链路技术。由于我国在建设北斗系统时并不具备全球布站的条件，如果沿用以前的技术，无法实现全球卫星导航系统的目标。因此，我们首创了星间链路技术，把多个卫星联合起来形成一个巨大的网络进行通话和传输，这项技术就像是为北斗系统的30颗卫星建立了一个微信群，实现了“一星通，星星通”，基于国内测站实现全球运行。

说起来容易做起来难。当时也有人反对研发这项技术，理由是这项技术美国人都没实现，咱们不可能做成。实际上，正是因为这项全世界谁都没有做过的创新技术，使北斗卫星7万公里的测距精度达到了1厘米。这是什么概念呢？就是差不多绕地球两圈的距离，测距精度可以达到1厘米。也就是说，北斗导航的核心指标URE（用户测距误差）比美国高了近一个量级。

第三项技术是导航卫星专用平台。当时整个北斗三号有160多项关键技术，导航卫星专用平台就有50多项技术。我们突破了一系列技术瓶颈，建造了“中科院专用导航卫星平台”，具有高可靠度、长寿命、小型化的特点。

第四项技术是新型导航信号体制。导航信号从天上发射到地面会变得微弱，必须通过大功率放大来解决。北斗二号系统主要通过采用行波管放大器来解决这个问题，但是进口的行波管价格高，交付进度也得不到保证。后来，在中科院电子所的攻关下，这项技术被我们掌握了。然而，行波管是唯一的解决方法吗？我们又把氮化镓的高效固放技术运用到星载系统中，有效提升了信号质量。这项技术在2015年3月30日新一代北斗导航系统首发星发射时就已经采用了。在导航系统中，这项技术至今还是独家的。

还有关键器部件CPU。我们要把天上的30颗卫星建成一个“微信群”，这30颗卫星怎么运行和对话呢？原来我们使用的是欧洲的CPU，后来我提出采用“龙芯”CPU。2015年3月30日，中国发射了首枚使用“龙芯”的北斗卫星，运行至今，状况良好。我们通过采用“龙芯+Flash”的架构，填补了国产航天处理器的空白。

以前我们的卫星发射上天后，如果需要改进或有什么错误要修正，毫无办法；但通过软件再度赋能的新技术，使我们有了吃“后悔药”的机会，程序可以重构，功能可以再建。当时也有很多人反对这项新技术，他们对我说：林总，咱们现在的创新已经不少了，还是稳当点吧。这项技术连美国都没有，咱们不可能做成。我对他们说：如果现在不做，那我们永远只能跟在别人后面一点一点走。结果，我们的新技术取得了成功。

除了CPU，包括微波等核心器件也全部实现了国产化，彻底扭转了卫星关键器部件依赖进口、受制于人的局面。

『理念与观念创新更加重要』

技术上的创新固然重要，但理念和观念创新更加重要。

我刚到上海时就遇到一个棘手的难题。以前北斗二号系统用的是“东方红三号平台”，卫星有三四吨重，采用的元器件是全世界最好的，寿命不过8年。而北斗三号卫星需要更小更轻，还要达到10—15年的寿命，按传统的方法很难完成。所以，我提出了功能链这个设计理念。

原来卫星有很多分系统，比如结构分析系统、热控信息系统等，我们把这十几个分系统按照科学功能重新归类，合并成电子学、质控、结构、载荷四大功能链，打破了以往传统的设计思路，实现了平台和载荷的一体化设计，这样既简化了系统结构，又提升了系统的可靠性。但是，原来卫星如果哪里出了问题，可以找哪个分系统负责。现在合并后，出了问题谁负责呢？我说，我是卫星的总师，我来负责！

结果，北斗全球导航系统的首发卫星只有847.6千克重，小卫星在能力上却一点也不输给大卫星。卫星不但功能提高了，重量降低了，而且价格也下降了，这就是理念创新的成果。

观念创新也同样非常重要。

航天领域有个不成文的惯例，一般卫星上采用新技术的比例不超过30%。然而，在北斗三号系统的100多项技术中，几乎70%的技术都是新的。我当时提出一个观点：新技术不等于不可靠，我们要采用靠谱的、符合客观规律的技术，加上成熟的工艺和充分的实验，来获得快速的发展。事实证明，创新技术解决了长期困扰我们的、用传统方法很难跨越的技术瓶颈难题，新技术是学不来、买不来、靠施舍不来的，只有通过我们的创新来解决难题。

有个问题曾经一直困扰着我：通常来说，航天技术的攻关需要10年时间，但是卫星的寿命往往也是10年。那就意味着，等卫星运行终结的时候，卫星技术已经是20年前的旧技术了。我们怎么才能提高卫星的持续先进性呢？为此，我提出了“长板理论”，即卫星的硬件指标按最长的板来设计，对配置进行前瞻性规划，同时做好保底准备，守住工程建设底线，并不断用技术创新和软件升级来补齐短板。

举例来说，Ka相控阵星间链路一开始研发时，大家的思想并没有统一，于是两个团队各干各的。等卫星上天后，发现这个技术确实非常好，心里有了底，2018年整个北斗系统全部采用了新技术，这才使得北斗有了今天的成果。如果当初认为这项技术太新就不上的话，也就没有北斗的今天。

确定一个科研项目的目标时，我们常常会对标美国，对标欧洲，找出差距，然后制定行动方案。但如果美国人的目标错了，不就把我们带歪了吗？所以，不要以权威的目标为目标，而要以客观事物的本质规律、本质需求作为目标，这样我们才能取得跨越性的突破，变不可能为可能。

『创造中国的北斗速度』

2015年3月30日，首颗新一代北斗导航卫星在西昌发射入轨。我很自豪地说，当时我们的团队81个人，平均年龄才31岁，我们用3年零3个月的时间完成了GPS花了20年的跨越之路。我由衷地为这些年轻人点赞。

整个首发星的完成，标志着北斗卫星从区域走向全球，具有里程碑的意义。在首发星之前，我们定的目标是“保三争二”，那意味着我们不可能超过美国。但有了首发星之后，大家有了底气，把总体目标改了，改成“比肩和超越GPS”。

2018年，我们加快了建设速度。这一年里，共发射了四组8颗北斗导航卫星。8颗卫星是什么概念呢？美国最多的一年发射过6颗GPS导航卫星，伽利略卫星导航系统也最多一年发射过6颗，而我们一年发射了8颗卫星，创造了中国的北斗速度。这是中国的航天奇迹，也是世界的航天奇迹。

2020年4月，GNSS（全球导航卫星系统）服务组织对四大卫星导航系统的运行进行了两个月的测试评估，结果显示，俄罗斯的格洛纳斯和欧盟的伽利略全球卫星导航系统在全球运作方面还不够完善，目前能够向全球用户提供导航服务的只有北斗和GPS；而在时频、信号、空间精度等这些核心指标上，北斗已经全面超过GPS。“GPS之父”帕金森曾向美国政府建言，由于中国的北斗采用了星间链路等创新技术，美国GPS的霸主地位已经不复存在，需要采取措施进行保护。

2020年7月31日，我国向全世界宣布北斗三号全球卫星导航系统正式开通。开通仪式在北京人民大会堂举行，我荣幸地参加了仪式。在回家的路上，我非常高兴，即兴写了一首诗，其中有这样两句：“追求普惠华夏愿，卓越湛卢献和平。”

中国古代有十大名剑，排在第一的是轩辕剑，湛卢剑排在第二。我为什么用湛卢剑来形容北斗呢？因为湛卢是古代铸剑大师欧冶子锻造的，它虽然无坚不摧，但它又是仁者之剑。我们开发北斗，是为了造福全人类，而不是为了称霸世界。

『实现从0到1的突破』

最后，我想和大家分享，要实现从0到1的突破，应当怎么做呢？

首先，以国家的战略需求为目标。我前面讲到的时频技术，其中有一个芯片是中科院微系统所研发的，这个芯片并不难，但正是因为瞄准了应用来开发，使得该技术超过美国近一个量级。所以，以市场或是国家的战略需求作为牵引，才能真正产生突破。

其次，要建立我们的道路自信、理论自信、制度自信、文化自信。过去，我们国家通过改革开放，通过引进技术、管理人才，已经建立起了现代化的体系，解决了怎么干的问题，这个过程更多的是一个学习的过程。现在，我们要通过创新，建立中国人的自信。把中国制造变成中国创造，不但要满足需求，而且要创造需求，引领需求。只有这样才能真正体现我们的大国担当，为全世界提供更多的中国智慧。

曾经有一家媒体让我总结一下北斗研发成功的经验，我当时这样说：“有担当，真创新，谋跨越。”什么叫“有担当”？如果总是胆小、怕出事，就不会有今天的北斗。“真创新”，一定要做从0到1的颠覆性创新，才能真正解决国家的重大需求。“谋跨越”，我们要建立自信，要有超越欧美、引领全世界共同发展、建立人类命运共同体的勇气。

从“‘两弹一星’精神”到“载人航天精神”，再到新时代的“北斗精神”，航天领域给我们留下了很多宝贵的财富。星辰大海并不遥远，湛卢已经出鞘，我愿意做一名披荆斩棘的开拓者，为我国导航事业辟出一条坦途大道，让更多后来者昂首阔步，为创新中国奋发图强。

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