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Telegram群成员导出:北斗三号卫星总设计师:如何做0到1的颠覆性创新

admin2023-01-152欧博体育官方入口

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本文来自「瞰见未来」2023复旦大学管理学院新年论坛,演讲嘉宾:林宝军(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),原标题为《北斗研发之路与弘扬科学家精神》,头图来自:视觉中国


各位老师、专家,同学们,很高兴借助管院新年论坛和大家有一个分享交流的机会,我今天汇报的题目是“北斗研发之路与弘扬科学家精神”。


科学家精神之一“一片冰心在报国”。从“两弹一星精神”到“载人航天精神”,再到新时代的“北斗精神”,实际上都给我们留下了宝贵财富。我很幸运,也很荣幸成为践行“载人航天精神”和新时代“北斗精神”的一名航天人。我从事载人航天工作15年,曾经是副总设计师,后来成为北斗三号卫星的总设计师也十多年了。


中国的技术是否能够超越欧美?实际上,一些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了。


他很震惊,说美国的GPS那么强大,是美国航天的三个里程碑式结果之一,你们才干十几年,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?我说不是,我们导航系统的核心指标其实已经碾压美国了。


他说不可能,你凭什么能比别人强呢?我当时点了下脑子,说“凭这”。我说中国人要有自信,要通过自己的努力、创新来做和我们大国地位相称的工作。


我今天就和大家分享我们在北斗研发中的创新和感悟。


敢为天下先:北斗三号的技术创新


科学家精神之“创新敢为天下先”。


首先讲一下我们在北斗三号研制中的技术突破与创新。


作为一个导航系统,时频,也就是钟,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得准了,谁的钟座好,谁就能把导航系统做得更好。当时我们买的是铷钟,其实我们自己也做出来了。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把世界上第一台双频氢原子钟做出来了。我们发明了钟的无缝切换技术——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,这个切换可以做到20×20的负12次方秒,用户连感觉都没有。正是因为用了这些技术,我们独立掌握了时频技术,而且我们卫星的时频精度在这个制高点上比美国人高了近一个量级。


第二项技术就是全球首创的Ka相控阵星间链路技术。导航卫星和其他卫星不一样,只要不“伺候”它,它的测距精度、时间精度可能一下子就下来了,所以它需要几乎实时的测运控。


我们国土资源有限,很多卫星我们见不到,精度就无从保证,我们只能通过星间链路技术,通过能见到的星来和见不到的星进行通话和传输,实际上就是通过KA相控阵这项技术把北斗的30颗星相对建立了一个微信群,实现了“一星通,星星通”,基于国内测站实现全球星座的运营。


现在说起来容易,当时做这项技术的时候很多人是反对的,理由是这项技术美国人都没实现,咱们不可能成。实际上,正是因为这项全世界谁都没有做过的创新技术,我们实现了卫星在7万公里的距离测距精度可以达到1厘米。


什么概念呢?差不多绕地球两圈的距离,测距精度可以到1厘米。我们不但实现了“一星通,星星通”,同时卫星定轨的精度,也就是导航的核心指标URE(用户测距误差),比美国人也高了接近一个量级。


第三项技术是导航卫星专用平台,这是一项卡脖子技术。当时整个北斗三号有160多项关键技术,专项卫星平台也就50多项,我们突破了一系列技术,建造了中科院专用导航卫星平台,实现了我们平台的高可靠、长寿命、小型化。另外,导航信号从天上拨发下来,信号实际上是很弱的,必须通过大功率放大来解决,北斗二号和之前的是以买行波管为主,价格高,交付的进度也不一定保证。我当时一拍桌子,我说咱们自己来做。中科院的电子所攻关,这项技术我们也掌握了。


但是行波管是唯一的方法吗?实际上,当时氮化镓的高效固放技术在地面已经用了,我们能不能把它搬到天上去?固放的线性比行波管好6dB,6dB就是4倍,杂散好的15-20dB,20dB就是100倍。我们这项技术在2015年3月30日打的首发星就用了。从这个角度看,作为导航系统,这项技术现在也还是独家的。


还有一个就是关键器部件。我们要把天上的30颗星建一个微信群,这30颗星怎么运营,怎么对话?传统上我们使用欧洲的CPU,我当时找到了龙芯中科做了十几年的龙芯CPU,此前它没上过天,我说我来用。最后在2015年3月30日打的首发星就上去了。实际上在天上现在运行效果比较好。


另外,因为在粒子打到计算机上的时候,0会打成1,1会打成0,假设打到制控系统,卫星就会翻掉。我们统计了一下,欧洲的芯片大概一周会打翻一次,我们采用各种冗余的手段可以让它不产生灾难后果。


而龙芯怎么样呢?我们第一颗星已经7年了,第二颗星已经6年了,单粒子翻转是0。从这个角度来讲,国产的器件不等于不好,而且比欧洲的还要好。


我们就通过龙芯+Flash架构,和FPGA+Flash架构,彻底改变了星上电组学系统的状态。


以前我们的卫星打到天上去,如果想要有什么改进或者有什么错误要修正,也改不了。这项技术其实说起来容易,但当时很多人跟我说:林总,咱们现在创新已经不少了,还是稳当点吧。这项技术连美国都没做,咱不可能做。当时我一家一家谈,从早晨8点多一直到晚上接近12点,差不多用一周时间,最后把大家说通了。


我说咱们第一次搞北斗,万一到天上有什么毛病,没有任何办法。咱们这么做,至少有吃“后悔药”的机会,程序可以重构,功能可以再建。当时大家都认为,这么一个大工程我们不能惹祸。但是如果不做,就永远只能跟在别人后面一点一点走。我们大胆地用了,在天上的效果非常好。


除了CPU,包括FPGA、DCDC、微波器件,全部国产化,彻底扭转了卫星关键器部件依赖进口,受制于人的局面。


理念创新与观念创新


刚才讲了很多技术上的创新使我们整个北斗的核心指标都超过了GPS。技术创新固然重要,但理念创新其实更重要。


我到上海的时候遇到一个问题,以前北斗二号用的是东三平台,三四吨重,用的元器件是全世界最好的,寿命也只有8年。而我们现在全部用国产的器部件,而且要把卫星做小,还要10-15年的寿命,按传统的做法很难,所以我当时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划分,分成了电子学、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,简化了系统结构,提升了系统的固有可靠性。但是它不好的地方在哪呢?比如,一个分析系统有一台计算机,以热控分析系统为例,到天上只要温度不合适就可以打热控主任设计师的板子。而现在这个做法出问题怎么办?我是卫星的总师,我来负责。


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我们的首发星只有847.6公斤,小卫星实现了大卫星的能力。在评选中国科学院杰出科技成就奖的时候,李济生院士说了一句话:当时你们说不到一吨就把整个卫星都做下来了,我压根儿就不相信,人家好几吨重还做不下来,你那幺小,功能还比人强,没想到你们还真的做下来了,而且做得比我们想象的还好。卫星不但功能提高了,重量降低了,而且价格也降下来了,这就是理念创新的重要性。


除了理念创新之外,还有观念创新。


航天有个传统,新技术不能超过30%。但是我刚才讲了,我们有一百多项技术,几乎70%的技术都是新的。从做神舟到做北斗,对我来讲,100%都是新技术,所以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,加成熟的工艺、加充分的实验来获得快速的发展。现在天上运行结果表明创新没有产生问题,而且解决了长期困扰我们的跟着别人用传统的技术很难跨越的技术瓶颈难题,技术是学不来,买不来,施舍不来的,只有通过我们的创新来解决。


我刚到上海的时候,一直有一个问题困扰着我:通常这种航天的关键攻关需要10年,但是卫星的寿命又是10年。大家想想,等卫星运行终结的时候,天上的技术已经是二十年前的技术了。我们怎么提高这种长寿命、高可靠产品的持续先进性?


通常我们做一个项目,都是用短板理论,但这个理论可能对于这种长寿命、高可靠的产品不适用。所以我们在卫星设计、规划的时候,用长板理论规划系统。那么短板怎么办呢?用“创新”这块板来补齐。


给大家举个例子,其实在做Ka相控阵星间链路,一开始大家思想没有统一,最后两家各上各的。真正卫星到天上去之后,大家发现这个技术确实非常好,心里有底了,2018年整个北斗全系统都采用了,这才使得北斗有今天的效果。如果当初大家认为这项技术太新了就不上的话,那就没有北斗的今天。


另外,刚才跟大家讲通过软件再度赋能,现在天上的卫星,时频、信号都可以变。以前的卫星,比如说北斗二号,如果北斗三号成了,北斗二号那些星就不能用了。现在如果要做北斗四号,不需要发射新的卫星就可以实现卫星的升级换代,有利于提高产品的持续先进性。


还有一点,大家通常犯的一个毛病是,先看中国在做什么,欧洲在做什么,美国在做什么,看完之后,找出我们跟美国的差距,然后确定关键技术攻关,缩小差距。如果美国人的目标错了,不就把我们带沟里了吗?所以说不要以权威的目标为目标,而是要以客观事物的本质规律、本质需求作为目标,这样我们才能真正取得进展,化不可能为可能。另外,要勇于担当,没有担当是不可能实现超越的。我刚才讲的那些技术如果要是出问题,我现在灰溜溜的,从这个角度来讲,勇于担当还是重要的。


另外,不走别人走过的可行的但没必要走的路。第一个做不等于创新。当年中国的胶卷比美国人差很多,如果拼命把胶卷做得很好,这条路也没错,但相机照相的本质不是把胶卷做好,而是把客观事物的图像显示清楚。做数码相机这条路就是不走原来胶卷那条路,胶卷那条路也可行,但是没有必要走了。这样我们才能取得跨越性的突破。


万众一心,追求卓越


科学家精神之“万众一心只为真”。


首先,在基地,我们大家统一起来,为了祖国的富强,为了民族的尊严,我们要奋斗。


再一个,潜心研究谋创新。我们在做整星振动试验的时候,卫星跟运载分离时冲击达到了6000G,就是6000倍的重力加速,所有的星内单机都受不了。我们尝试了一个办法将它解决了:卫星落到垫子上面,就把卫星落下来。当时做实验的时候,大家半夜累了,就稍微躺在垫子上休息一会。还有当时在陕西西安,整个实验现场是新建的,泥泞的路,厕所都没有,就在这种条件下,我们把全球谁都没有做过的东西做成了。凝心聚力谋创新,大家万众一心一起干、一起开心,这个事情到现在确实做得还不错。


另外,甘为育人继创新,“88后”现在已经是我们导航所的副所长,也是2021年杰出浦东十大青年。他刚开始做北斗的时候,刚毕业的硕士生什么都不知道,现在已经是骨干了。我们通过这些形成了创新院的文化:勤于学习、勇于创新、敢于挑战、善于合作和甘于奉献。


科学家精神之“极致攻关无不成”。


首先讲一下首发星,首发星是2015年3月30日在西昌发射,取得了很好的成功。实际上首发星确实经过了很多困难。


我经常很自豪地说,当时完成首发星的人,81个人平均年龄31岁,用了3年零3个月的时间干了GPS2到GPS3二十年要完成的跨越,真的为这些年轻人点赞。


整个首发星的完成标志着北斗卫星从区域走向全球,确实具有里程碑的意义。


在首发星之前,我们定的目标叫保三争二,意思是我们不可能超过美国,但四大导航系统,GPS、格洛纳斯、北斗和伽利略,我们不能做“小四”,至少要争做第三。有了首发星之后,大家有了底气,把总体目标改了,改成比肩超越GPS。2018年,我们开始大面积做,不到一百人的团队,一年发射了四组八颗北斗卫星的研制。8颗星是什么概念呢?美国最多一年打过6颗GPS,“伽利略”最多也一年打过6颗,而我们一年打了8颗长寿命、高可靠的业务星,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。


大家会说你刚才吹了这么半天,北斗现在性能怎么样呢?2020年4月,国际GNSS服务组织对四大导航系统在天上的运行结果做了两个月的测试评估,得出的结论显示,格洛纳斯和伽利略系统对全球运作来讲不是那么靠谱,能够用的只有北斗和GPS,在时频、信号、空间精度这些指标上,北斗全面超过GPS。


我刚到上海的时候,我说我年龄大了,没有希望了,等在座的年轻人老的时候能把北斗做成跟GPS相当,这一辈子就不白活。现在看,不要等他们老了,我们已经是中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗了。GPS之父帕金森向美国政府建言,他说由于北斗采用了星间链路等创新技术,美国GPS金本位正在快速消失,需要采取措施保护,也就是说GPS的霸主地位已经不存在了。


2020年7月31日,我国向全世界宣布北斗三号开通,我也很荣幸亲临了会议现场。在回去的路上,我很开心,利用新时代北斗精神“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”写了一首藏头诗:“自主铸就北斗星,创新撆画玉汝成;开放彰显乾宇志,融合时空谋共赢。万众抗疫同舟济、一心相异退群声;追求普惠华夏愿,卓越湛卢献和平。”


中国有十大名剑,排在第一的是轩辕剑,而不是湛卢剑,湛卢剑是排在第二。我为什么用湛卢剑来形容北斗呢?因为湛卢是欧冶子锻造的,无坚不摧,但它是仁者之剑,我们是为了造福全人类,不是为了称霸世界。


后续,北斗要做的就是要建更加泛在、更加融合、更加智能的下一代综合时空体系,要在2035年之前解决深空的问题、室内的问题和水下的导航问题。


追求创新,建立自信


跟大家简单分享感悟,我刚才讲了,我们现在做的科研工作基本上都是技术推动的模式,意思是现在有什么技术,画延长线能到哪儿,我就把那儿作为目标。这是一种很好的方式,但是很难有跨越性的从0到1的突破。应当怎么做呢?


真正的以国家的战略需求,或者是我们的空白要做什么为目标。其实画的延长线只要稍微偏离一点,就能产生0到1的突破。我前面讲了时频,里面一个芯片就是我们中科院微系统所做的,这个芯片并不难,但是正是因为瞄准了应用来做,使得我们达到了超过美国近一个量级的技术。所以要以市场或者是国家真正的需求作为牵引,可能才能真正产生突破。


还有一条,要建立我们的道路自信、理论自信、制度自信、文化自信。我们通过改革开放,通过引进技术、管理人才,已经建立了现代化的体系,解决了怎么干的问题,这个过程更多是学习,照葫芦画瓢的过程。现在,我们要通过创新建立中国人的自信。只有通过创新才能实现跨越式发展,我们是希望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,增添中国动力。


北斗研发成功,曾经有一家媒体问我说,林总,你能不能总结几句话?我当时总结说:有担当,真创新,谋跨越。什么叫“有担当”?刚才讲的那堆事,你但凡要胆小点,怕出事,整个北斗都做不成。“真创新”,我们不要画延长线,要做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,要建立能够超越欧美,来引领全世界共同发展,建立人类命运共同体的这种勇气。


星辰大海并不遥远,湛卢已经出鞘,我们要坚持道路、理论、制度、文化自信,从满足需求到创造需求、引领需求,从跟跑、并跑到领跑,构建人类命运共同体,为世界和平发展提供中国智慧,增添中国动力。


本文来自「瞰见未来」2023复旦大学管理学院新年论坛,演讲嘉宾:林宝军(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)

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