北斗卫星导航系统（BDS，简称北斗）是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继全球定位系统（GPS）、全球卫星导航系统（GLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。

BDS很难在全球布设地面站，仅靠我国境内地面站建立星地链路，70%以上的境外区域处于观测盲区，对北斗导航系统的全球精密定轨、实时管控和自主运行产生致命影响，这成为北斗导航由区域系统向全球系统发展面临的最大屏障。

国防科技大学教授杨俊带领空间仪器团队持续开展科研攻关，发明大型复杂星座“精密测量链”“全球控制链”“时敏数据链”三链合一的全球星座弹性多模星间链路，在卫星与卫星、卫星与地面站之间架设“天路”，消灭了境外区域观测盲区，让北斗卫星导航系统实现提供全球服务。

今年9月19日，我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭与远征一号上面级，成功发射第59颗、60颗北斗导航卫星。《中国科学报》记者近日走进国防科技大学，深入了解该校空间仪器团队架设星间链路背后的科研故事。

“陆路”不通架设“天路”

我国因长期受限于境内布站，全球观测弧段只有30%。“这意味着北斗只能观测和服务我国，没法为全球提供服务。”杨俊表示。

一般地，全球卫星导航系统包括空间部分、地面控制部分和用户设备部分。空间部分获取的信息往往不是完全准确的，这就需要空间部分获取信息后与地面端进行校准，这样才能实现高精准度。

美国GPS在世界各地建设了数百上千个地面站，通过地面组网打通了“陆路”，直接为卫星提供运维管控和时空基准，确保GPS的安全稳定运行。

“BDS全球观测弧段只有30%，精度也会有一定影响。”杨俊解释说，GPS布设在地面的每一颗卫星，都可以和地面站连通，这就可以维持很好的数据校准，而BDS在国外没有布设卫星，那些地区就是盲区，精准度也难以保障。

BDS要提供全球服务，就必须打造导航卫星全球一张网，解决这70%的域内观测盲区问题，始终维持高精度的时空基准。

如何破题？既然“陆路”不通，那就另辟蹊径。

为此，国防科技大学空间仪器团队独辟蹊径，尝试在卫星与卫星、卫星与地面站之间架设“天路”，搭建具有数据传输和精密测量功能的无线星间链路。

此前国际上尚无相关经验，更谈不上理论成果。凭借在航天测控平台与卫星通信载荷领域的深厚积淀，空间仪器团队发明了大型复杂星座三链合一的全球星座弹性多模星间链路，解决了“境外卫星连续实时管控”“精密定轨与时间同步”“自主运行”等核心需求，这成为北斗导航系统从区域走向全球的“机括”。

为卫星“铺路”实施管控

所谓星间链路，就是在卫星高速运动条件下快速建立链路，在相距数万公里的卫星间实现厘米级测距精度，在星座几十颗卫星间并行同时建链而互不冲突，在缺乏地面支持情况下仍可长期保持卫星轨道和时间。星间链路作为全球卫星导航系统公认的技术制高点，是世界性的重大科技难题。

此前已有的星间链路，大多是在两颗卫星之间架设一座“独木桥”，只实现了单点静态拓扑、单一传输功能。而北斗星间链路则是要修建整个星座系统的交通网。

目前，我国已成功发射60颗北斗导航卫星，这些卫星由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成，不同轨道的高度不同，最高的超过3.5万公里。每颗卫星的运动速度约为每秒7公里，它们之间的距离很远，有的超过六七万公里。

架设北斗星间链路，首先要让这些卫星始终在正确、可控的轨道上运行。

“以前当卫星在我国领空运行时，因为地面站能和卫星实时校准，这些区域中卫星是受控的。而到了其他国家尤其是进入北极后，卫星往往进入失控状态，飘到其他轨道，地面也无法和空间互联，这种情况下更谈不上传输精准的信息。”国防科技大学智能科学学院副研究员孟志军说。

北斗星间链路兼具测量和传输两大功能，既要满足全球定轨的多星协同精密测量和观测几何强度需求，一颗星与十多颗卫星建链，又要满足实时传输的无中心弹性组网和多系统开放互联需求，国内外均没有可借鉴方案，属于世界性难题，必须从理论和技术上自主创新全面突破。

为此，杨俊带领空间仪器团队加强基础研究，首创了多种轨道星座自主定轨协同测量理论与方法，构建了星座动态适应、开放互联、无中心弹性的测量通信融合网络，实现了星载实时高精度短弧段动力学双模自主定轨与时间同步，显著提升了全球定轨观测几何因子，高效承载了星间动态时敏信息网络传输，定轨和钟差精度均提高了50%以上，与其他GNSS相比整网平均传输时延至少降低5倍，信息传输速率提高了10倍以上。

“基于这些创新研究，北斗的星间链路能够知道自己的位置，各司其职。即使卫星在我国领空以外的地方运行，也能够通过卫星与卫星、卫星与地面站之间相关校准测量，地面通过这些测量数据实时为空间的卫星定位。”国防科技大学智能科学学院副教授瞿智表示。

实现100毫秒内建链

星间链路的建链速度，决定了其运行效率。“这就好比我们日常使用手机时接入WIFI的时间，肯定是越快越好。”瞿智说。

“关键技术不能受制于人。北斗星间链路的卡脖子技术在于空间精密测量与数据传输，需要解决大尺度、高动态、强干扰条件下的星间精密测量数据的稳定连续获取难题。”杨俊表示。

为了破解这一难题，上述团队自主创新，独创了测量通信融合的星间抗干扰精准测量与校正方法，研制了星间链路核心载荷装备，将首次建链时间从秒级缩短到百毫秒级，实现了亿倍干扰强度下星间数万公里距离上厘米级精准测距，测量相对误差小于十亿分之一。

“以前卫星之间相互建链需要很长的过程，比如GPS的星间链路建链时间一个周期约几十秒。”孟志军表示，北斗的卫星运行速度非常之快，团队基于上述技术的创新，使得北斗星间链路最快实现在81毫秒建链，实现波速的快速切换。比如一个地方有任何突发情况，我们极快的建链时间就能让卫星捕获的信息更快、更准确地返回到地面端和用户手中。

论证建设过程中，如何保证完整系统性能又是一重要课题，这意味着必须解决复杂星座星间链路测量、通信、组网、自主定轨等在轨试验、组网演进和体系寻优的难题。

“我们独创了星座组网虚实结合、天地一体的整网试样评估方法，构建了基于‘在轨实星实装+地基构造卫星+数字虚拟卫星’的LVC星间链路整网综合试验评估环境，打造了一把‘金刚钻’，取得星间链路首星首试圆满成功，保证了北斗三号超前完成部署，顺利开通全球服务。”杨俊说。

2020年7月31日，北斗三号全球卫星导航系统正式建成，面向全球用户提供完整的全天时、全天候、高精度全球定位导航授时服务。

杨俊表示，正是在国内外没有可借鉴方案的情况下，团队解决了境外卫星连续实时管控等技术难题，突破了星间链路的技术屏障，使北斗卫星导航系统从区域迈向全球，成为北斗自主创新和领先GPS的核心标志。这也使得北斗卫星导航系统真正成为我国首个服务全球的大型星座系统。

星间链路不局限于北斗系统

北斗星间链路的成功在轨应用，得到了国际同行的广泛关注。

据介绍，Inside GNSS杂志曾报道称，北斗完成星间链路测试，是全球唯一用此功能提升精度的卫星导航系统。《麻省理工科技评论》也将北斗星间链路的“超高精度定位”列入2021年“十大突破性技术”。德国空间中心主任O. Montenbruck在世界导航大会（IEEE/ION PLAN）上报告指出，北斗因使用星间链路，卫星轨道精度明显优于GPS、GLONASS、欧盟Galileo等系统。

北斗三号星间链路载荷入轨后，经过三年在轨稳定运行。2023年5月，由13位中国科学院院士、中国工程院院士组成的科技成果鉴定委员会认为，国防科技大学空间仪器团队研发的星间链路是北斗三号全球系统实现世界领先的两大关键支撑之一，该成果属世界首创，研制难度很大，核心关键技术自主可控，总体技术水平国际领先。

基于该成果，空间仪器团队荣获2023年度国家技术发明二等奖。

如今，全球大规模星座系统正如火如荼建设，分布式卫星系统协同应用对时空基准的要求越来越高，对星间数据传输的需求越来越迫切，需要构建精密时空基准泛在、测量通信一体化的星间链路网络。

“北斗星间链路，从理论上和实践中证明了空间协同测量理论提升卫星星座在轨服务性能的可行性和有效性。”杨俊介绍，星间链路体制以其优异的弹性组网和跨域互联能力，已扩展应用到中国某星座、战略某武器、天基智能星座、载人航天空间站等航天重大工程的多域互联互通，形成全球实时覆盖的测量通信一体化天基网络，极大地提升航天全球服务能力，战略价值巨大。

“星间链路建设一直在路上，空间仪器团队将进一步开展多元融合的天基综合信息系统研究，推动我国天基信息从被动支援向主动服务转变，实现频谱资源按需分配、动态释放，建设开放、共享的智能天基系统，打造天基系统命运共同体。”杨俊表示。

GPS和BDS观测覆盖情况与北斗架设星间链路后覆盖情况对比。

杨俊（中）带领团队开展相关研究工作。王昊昊 摄

杨俊（中）与团队成员研讨科学问题。王昊昊 摄

关键词:北斗 国防科技大学 空间仪器

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来 源：大学号

编辑：清风

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