北斗衛星導航系統（BDS，簡稱北斗）是中國自主研制的衛星導航系統，也是繼美國全球定位系統（GPS）、俄羅斯格洛納斯衛星導航系統（GLONASS）之后第三個成熟的全球衛星導航系統。

我國很難在全球布設地面站，僅靠境內地面站建立星地鏈路，70%以上的境外區域處于觀測盲區，對BDS的全球精密定軌、實時管控和自主運行產生致命影響，這成為北斗導航由區域系統向全球系統發展面臨的巨大屏障。

中國儀器儀表學會常務理事、國防科技大學教授楊俊帶領空間儀器團隊持續開展科研攻關，發明了大型復雜星座“精密測量鏈”“全球控制鏈”“時敏數據鏈”三鏈合一的全球星座彈性多模星間鏈路，在衛星與衛星、衛星與地面站之間架設“天路”，消除了境外區域觀測盲區，讓北斗衛星導航系統能夠提供全球服務。

楊俊（中）帶領團隊開展相關研究工作

今年9月19日，我國在西昌衛星發射中心用長征三號乙運載火箭與遠征一號上面級，成功發射第59顆、60顆北斗導航衛星，為北斗三號系統建設畫上了完美句號。《中國科學報》記者近日走進國防科技大學，深入了解該校空間儀器團隊架設星間鏈路背后的科研故事。

“陸路”不通架設“天路”

我國長期受限于境內布站，衛星在全球的觀測弧段只有30%。“這意味著北斗只能應用于我國境內和周邊，沒法為全球提供高質量服務。”楊俊表示。

一般地，全球衛星導航系統包括空間部分、地面控制部分和用戶終端部分。空間部分時空基準由于多種因素影響往往不是完全準確的，這就需要空間部分與地面控制部分進行校準，這樣才能實現高精度。

美國GPS在全球范圍內建設了數十個地面站，通過地面組網打通了“陸路”，直接為衛星提供運維管控和時空基準，確保GPS的高精度安全穩定運行。

“BDS全球觀測弧段只有30%，全球精度會有很大影響。”楊俊解釋說，GPS布設在太空的每一顆衛星，都可以和地面站連通，這就可以維持很好的時空基準，而BDS在國外沒有布設地面站，那些地區就是盲區，精度也難以保障。

BDS要提供全球服務，就必須打造導航衛星全球一張網，解決這70%的境外觀測盲區問題，始終維持高精度的時空基準。

如何破題？既然“陸路”不通，那就另辟蹊徑。為此，國防科技大學空間儀器團隊嘗試在衛星與衛星、衛星與地面站之間架設“天路”，搭建具有數據傳輸和精密測量功能的無線鏈路。

楊俊（前排右二）帶領團隊開展相關研究工作

此前國際上尚無相關經驗，更談不上理論成果。憑借在航天測控平臺與衛星通信載荷領域的深厚積淀，空間儀器團隊發明了大型復雜星座三鏈合一的全球星座彈性多模星間鏈路，解決了“境外衛星連續實時管控”“精密定軌與時間同步”“自主運行”等核心需求，使得域外觀測盲區的天塹變成了通途，這成為北斗導航系統從區域走向全球的“機括”。

為衛星建設“太空高鐵”

所謂星間鏈路，就是在衛星高速運動條件下快速建立鏈路，在相距數萬公里的衛星間實現厘米級測距精度，在星座幾十顆衛星間并行同時建鏈而互不沖突，在缺乏地面支持情況下仍可長期保持衛星時空精度。星間鏈路作為全球衛星導航系統公認的技術制高點，是世界性的重大科技難題。

此前已有的星間鏈路，大多是在兩顆衛星之間架設一座“獨木橋”，只實現了單鏈靜態拓撲、單一傳輸功能。而北斗星間鏈路則是要修建整個星座系統的交通網,需要的是“高速公路”，甚至是“太空高鐵”，這是中國航天的重大創舉。

目前，我國已成功發射60顆北斗導航衛星，這些衛星由若干地球靜止軌道衛星、傾斜地球同步軌道衛星和中圓地球軌道衛星組成，不同軌道的高度不同，最高的約3.6萬公里。衛星相對運動速度最大約每秒4.8公里，它們之間的距離很遠，有的達到六七萬公里。

架設北斗星間鏈路，首先要讓這些衛星始終在正確、可控的軌道上運行。

“以前當衛星在我國上空運行時，因為地面站能聯接衛星進行測控定軌，這些區域中衛星是受控的。而到了其他國家尤其是進入南北極上空后，地面無法和衛星互聯，衛星處于失控狀態，這種情況下更談不上傳輸精準的信息。”國防科技大學智能科學學院副研究員孟志軍說。

北斗星間鏈路兼具測量和傳輸兩大功能，既要滿足全球定軌的多星協同精密測量和觀測幾何強度需求，一顆星與十多顆衛星建鏈，又要滿足實時傳輸的無中心彈性組網和多系統開放互聯需求，是北斗系統建設的核心瓶頸，國內外均沒有可借鑒方案，屬于世界性難題，必須從理論和技術上自主創新全面突破。

GPS和BDS觀測覆蓋情況與北斗架設星間鏈路后覆蓋情況對比

為此，楊俊帶領空間儀器團隊加強基礎研究，首創了大型復雜星座自主定軌協同測量理論與方法，研制了核心載荷，構建了星座動態適應、開放互聯、無中心彈性的測量通信融合網絡，實現了星載實時高精度短弧段動力學雙模自主定軌與時間同步，顯著提升了全球定軌觀測幾何因子，高效承載了星間動態時敏信息網絡傳輸，定軌和鐘差精度均得到很大提升，與其他GNSS相比整網平均傳輸時延降低5倍以上，信息傳輸速率提高了10倍以上，成為了北斗系統的技術基石。

“基于這些創新研究，北斗導航衛星能夠準確知道自己的時間和位置，而且處于受控狀態，各司其職。即使衛星運行在我國國土上空以外的地方，也能夠通過衛星與衛星、衛星與地面站之間的協同測量通信網絡，實現自主實時的衛星管控與高精度時空基準維持。”國防科技大學智能科學學院副研究員郭熙業表示。

實現100毫秒內建鏈

星間鏈路的建鏈速度，決定了其運行效率。“這就好比我們日常使用手機時接入WIFI的時間，肯定是越快越好。”郭熙業說。

“關鍵技術不能受制于人。北斗星間鏈路的瓶頸難點在于空間精密測量與數據傳輸，需要解決大尺度、高動態、強干擾條件下星間精密測量數據的穩定連續獲取難題。”楊俊表示。

為了破解這一難題，上述團隊自主創新，獨創了測量通信融合的星間抗干擾精準測量與校正方法，研制了星間鏈路核心載荷裝備，將首次建鏈時間從秒級縮短到百毫秒級，實現了強干擾下星間數萬公里距離上厘米級精準測距，測量相對誤差小于十億分之一。

“此前衛星星座網絡相互建鏈是一個很長的過程，比如GPS星間鏈路的完整建鏈周期約幾十秒。”孟志軍表示，北斗衛星的組網運行速度非常之快，團隊基于上述技術的創新，使得北斗星間鏈路實現快速建鏈、精確測量。比如在全球任何一個地方有突發情況，我們極短的建鏈時間就能讓衛星更快地獲取信息、更準確地實施衛星管控、更高效地提供用戶服務。

論證建設過程中，如何保證完整系統性能又是一重要課題，這意味著必須解決復雜星座星間鏈路測量、通信、組網、自主定軌等在軌試驗、組網演進和體系尋優的難題。

“我們獨創了星座組網虛實結合、天地一體的整網試驗評估方法，構建了基于‘在軌實星實裝+地基構造衛星+數字虛擬衛星’的LVC星間鏈路整網綜合試驗評估環境，打造了一把‘金剛鉆’，取得星間鏈路首星首試圓滿成功，保證了北斗三號超前完成部署，順利開通全球服務。”楊俊說。

2020年7月31日，北斗三號全球衛星導航系統正式建成，面向全球用戶提供完整的全天時、全天候、高精度全球定位導航授時服務。

楊俊表示，正是在國內外沒有可借鑒方案的情況下，團隊解決了境外衛星連續實時管控等技術難題，突破了星間鏈路的技術屏障，使北斗衛星導航系統從區域邁向全球，成為北斗自主創新和領先GPS的核心標志。這也使得北斗衛星導航系統真正成為我國首個實現全球組網運行的航天系統。

星間鏈路不局限于北斗系統

北斗星間鏈路的成功在軌應用，得到了國際同行的廣泛關注。

據介紹，Inside GNSS雜志曾報道稱，北斗完成星間鏈路測試，是全球唯一用此功能提升精度的衛星導航系統。《麻省理工科技評論》將“超高精度定位”列入2021年“十大突破性技術”，中國科學院院士楊元喜在《中國科學基金》對其專題解讀稱，北斗超高精度定位得益于星間鏈路支持下獲得的高穩定鐘差。國際導航服務組織（IGS）工作組主席O. Montenbruck在世界導航大會（IEEE/ION PLAN）上指出，北斗因使用星間鏈路，衛星軌道精度明顯優于GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟Galileo等系統。

北斗三號全球系統正式開通后，經過三年穩定運行。2023年5月，由13位中國科學院院士、中國工程院院士組成的科技成果鑒定委員會認為，國防科技大學空間儀器團隊研發的星間鏈路是北斗三號全球系統實現世界領先的關鍵支撐，該成果屬世界首創，研制難度很大，核心關鍵技術自主可控，總體技術水平國際領先。

基于該成果，空間儀器團隊榮獲2023年度國家技術發明二等獎。

如今，全球大規模星座系統正如火如荼建設，分布式衛星系統協同應用對時空基準的要求越來越高，對星間數據傳輸的需求越來越迫切，需要構建精密時空基準泛在、測量通信一體化的星間鏈路網絡。

“北斗星間鏈路，從理論上和實踐中證明了空間協同測量理論提升衛星星座在軌服務性能的可行性和有效性。”楊俊介紹，星間鏈路體制以其優異的彈性組網和跨域互聯能力，已擴展應用到中國某星座、載人航天空間站等航天重大工程的多域互聯互通，形成全球實時覆蓋的測量通信一體化天基網絡，極大地提升航天全球服務能力，戰略價值巨大。

楊俊（中）與團隊成員研討科學問題

“星間鏈路建設一直在路上，空間儀器團隊將進一步開展多元融合的天基綜合信息系統研究，推動我國天基信息從被動支援向自主服務轉變，實現頻譜資源按需分配、動態釋放，建設開放、共享的智能天基系統，打造天基系統命運共同體。”楊俊表示。

文章轉載自：王昊昊,張照星,瞿智 / 中國科學報