杨长风:铸造“夜空中最亮的星”
来源:科技部 日期:2023-04-13
杨长风(1958年2月—),北斗卫星导航系统工程总设计师,第十三届全国政协委员。长期从事我国卫星等航天器研制、航天系统总体设计和重大航天工程管理工作,获国家部委级科技进步奖多项,全程参加了从北斗一号、北斗二号到北斗三号,共三代北斗卫星导航系统的论证设计、工程建设和组织管理工作,航天系统理论功底深厚,航天工程管理经验丰富。
2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统建成暨开通仪式在北京人民大会堂举行,习近平总书记出席并宣布:“北斗三号全球卫星导航系统正式开通!”这标志着中国自主建设、独立运行的北斗三号全球卫星导航系统全面建成,以“三步走”战略发展的中国北斗,在实现“服务中国”“服务亚太”之后,迎来了“服务全球”的新时代。
2020年6月23日,这一场被称为“收官之战”的发射任务,第55颗北斗导航卫星成功发射。目睹着火箭托举着卫星腾空而起,已经数不清多少次在西昌卫星发射中心现场的杨长风却和以往无数次发射一样平静、淡然,直到回到北京他才感受到了那份期待已久的如释重负,10余年的酸甜苦辣涌上心头。
1973年,少年的杨长风毕业于湖南省南县一中。对于卫星导航系统,当时的中国航天界依然处于憧憬、期待和先期论证阶段。这位湖湘少年以优异的成绩考入国防科技大学,毕业参加工作后,公派赴美国弗吉尼亚理工学院做访问学者。后来,又在国防科技大学获得硕士、博士学位,少年志向与研究方向或许早已注定了杨长风要将自己最好的青春与才华,交付给中国的卫星导航事业。
自1994年北斗一号工程立项之日起,中国北斗卫星导航系统历经26年实现全球组网,几代航天人接续奋斗,实现了从无到有、从大到强。自20世纪90年代初,杨长风开始投入北斗一号的研制、建设、管理等工作,他既是北斗系统的研发亲历者,也是北斗系统从无到有、由小到大的见证者。
“能被组织安排从事航天工作,参与到北斗系统的组织管理建设,我感到非常荣幸,也倍感珍惜。如果说我个人有一点小的成就,也是跟北斗紧紧连在一起。”始终从事北斗系统工程管理和总体设计工作的杨长风曾谦逊地告诉采访他的人。
全球卫星导航系统建设在世界航天领域是一个复杂的巨系统工程,仅北斗三号系统,全国就有30多万人、400多家企业单位参与到建设过程中,协调各分系统有效运转,实现总体设计目标,始终考验着北斗团队的系统工程管理质量与水平。
目前,美国、俄罗斯、中国、欧洲四大卫星导航系统均以不同的技术路径和发展道路来组织完成。杨长风创新提出了“多位一体、并行推进、风险管控、自主发展”的巨型复杂航天系统工程管理模式,近30年来和他的同事们一起,高效牵引带动数百家单位、数十万人团结协作,通过“全国一盘棋、上下一条心”,最终实现国际卫星导航领域和我国航天领域的多个首创,充分彰显了我国“集中力量办大事”的显著优势,走出了一条符合我国国情、独具特色的卫星导航系统发展道路,也为世界卫星导航事业发展提供了宝贵的“中国方案”。
创新超越,中国北斗走出了自己的发展道路
在航天探索的历史上,为了实现各种或大或小的阶段目标,人类总是会寻找各种不同的路径方案来解决实际问题。每一条路,都充满着创新的智慧与探索的精神。
要在地球外层建设起一个卫星导航系统,为地面提供连续稳定的导航服务,美国GPS和俄罗斯GLONASS系统均采取的是单一轨道星座构型,所有卫星都绕地球旋转,而且是一步到位,直接建设全球系统。
北斗的总体设计思路没有遵循美俄曾经走过的路,而是设计了一套全新的混合星座构型。在组织论证北斗二号系统时,为了实现优先服务中国和亚太地区的目标,创造性地设计了由地球同步轨道卫星、倾斜同步轨道卫星和中圆轨道卫星构成的星座构型,让大部分卫星集中稳定地在中国与亚太地区上空,优先满足了中国及其周边的导航定位需求。如此创造性的星座构型,在人类导航卫星发展历史上,给其他希望自主建设卫星导航系统的国家提供了一种发展思路和技术路径。
2004年,北斗二号工程立项。在当时,北斗二号系统规模大、技术难度高、整体性强、国际合作需求迫切,换而言之,面临的难度和挑战也更大。要实现卫星核心器部件国产化,彻底打破受制于人的局面,这是摆在杨长风及其北斗团队面前的一道难题。
原子钟是导航卫星的心脏。天地间时间越同步、误差越小,导航定位的精度越高。虽然在北斗一号时代,中国就启动了国产铷钟的研发,但为了保证测量精度,在北斗二号工程初期,卫星系统提出了每颗卫星携带4台铷钟按1台国产、3台引进的方案配置。
通过与西方洽谈进口星载原子钟,让杨长风在内心深处明白,“我们不能把星载铷钟这个卫星导航的核心关键,依赖于进口产品上。这种关键技术得自己干,才能完全摆脱受制于人的局面,真正抓住发展主动权!”
在2004年5月的最后一天,确定了北斗二号卫星将按照国产铷钟为主、兼容引进的配置方案开展工作,每一颗卫星将携带4台国产铷钟并兼容引进铷钟。
时间从不因任何变化而停下,而北斗也绝不会因为原子钟这道难关,停住全力奔跑的脚步。为打赢科研攻坚战,北斗工程紧急协调国内3家优势团队,多线并行肩负起星载原子钟国产化的任务。
2006年9月9日下午,搭载着国产铷钟的一颗育种卫星发射升空;9月12日12:48,国产铷钟完成加电,14:10收到第一组星上下传的遥测数据;至9月24日,国产铷钟连续工作13天,共收到71圈的遥测数据,国产铷钟在微重力环境下性能良好,搭载试验成功完成。
在杨长风看来,这是真正意义上属于中国的星载原子钟,从这一刻起,中国拥有了自己的原子钟,我们终于摆脱了核心部件被别人“卡脖子”的状况,“让卫星导航系统的心脏跳动出了中国心率”。
铷钟国产化可以说是一个具有重大意义的标志性成果,展现出我们的自主研发能力和实力。自此,杨长风创新制定了“工程型号引领、应用验证促进、分阶段实现、规模化应用带动”的国产化推进策略。从中国特色卫星导航系统的体制设计,再到星间链路、高精度原子钟、新型导航信号等160余项核心关键技术攻克和500余种器部件国产化研制的突破,一系列技术瓶颈被相继攻克。这是北斗团队智慧、勇气、责任、信念的体现,也是整个北斗工程永不枯竭的力量之源。
北斗的创新超越,让我们对“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”感受更加深切!北斗三号核心器部件国产化率达到100%,卫星寿命大于10年,定位精度优于10米,授时精度优于20纳秒,各项性能指标世界一流,提供全球定位导航授时、星基/地基增强、短报文通信、精密单点定位、国际搜索救援等多样化服务,已是功能强大的全球卫星导航系统。
应用创新,北斗产业化走上了持续发展之路
对于杨长风所率领的北斗团队来说,不仅要打造太空中的北斗星座,更要在地球上构建起北斗产业生态体系,让庞大的星座系统实现可持续发展,让北斗为我国社会生产生活发挥最大作用。
北斗卫星导航芯片是北斗应用的核心和关键。北斗系统建设初期,交通、测绘、电子消费等行业领域仍主要使用美国GPS芯片,而国内卫星导航定位芯片研发企业绝大部分是中小企业,人才、资金储备不足,尚处于初始研发阶段,与国际一流水平差距较大。我们亟须掌握核心技术的重点企业,发挥自主知识产权优势,开发高性能的北斗卫星导航芯片。一流的芯片需要一流的人才。随着国家北斗专项的开展,一大批留学海外的高端技术人才和国内高校拔尖人才,怀着对北斗的情感,陆续投入到芯片研发队伍,为国产芯片从0到1的跨越做出重大贡献。
杨长风及其团队通过总体设计和系统工程大协作,采用“国家队”和“民间队”的双打配合、相互补充,提出“抓基础、抓示范”的北斗应用推进方针,不到一年时间,我国就推出了第一款实现量产、拥有完全自主知识产权的射频基带一体化多模芯片。这一芯片成本低、尺寸小、功耗低、可靠性高,实现了“与国际主流芯片同质、与单模GPS芯片同价”的研发目标。经过多年努力,形成了芯片模块、终端、应用系统、运营服务的北斗全产业链,推动了北斗在国家关键行业领域的规模化应用,特别是构建了基于北斗服务的全球规模最大的车辆网和船联网,实现了660余万辆重点营运车辆和5万艘渔船的精细化监管。
历史经验表明,北斗应用和产业化发展还需要标准化的规范和引领。标准化对整个北斗卫星导航产业的健康发展具有特殊的不可替代的重要作用,标准化贯穿整个产业链,标准化引领和支撑产业发展,两者相互依存又相互制约。目前,主要由国际民航组织(ICAO)、国际海事组织(IMO)、国际移动通信组织(3GPP)、国际电工委员会(IEC)、国际搜救卫星组织(COSPAS-SARSAT)等国际组织,制定、修订卫星导航在全球主要行业领域的国际标准,可以说是每个全球卫星导航系统必须参加并通过的考试。
杨长风意识到,随着北斗系统建设的稳步推进,北斗标准化工作,特别是国际标准化工作的战略性、基础性、全局性地位逐步提升,必须快速进入国际标准,为北斗全球应用扫清标准障碍。据此,杨长风带领北斗团队,在中国民用航空局、交通运输部海事局、工业和信息化部科技司等部门机关的大力支持下,联合组建工作组,快速参与到国际标准的研究制定工作。近年来,北斗国际标准工作捷报频传,北斗系统正在快速进入各类国际标准体系。在国际民航领域,北斗全球信号技术指标基本完成验证,计划2020年完成国际民航组织标准认证;在国际海事领域,北斗船载终端标准已经发布,正在制定北斗星基增强系统应用的相关标准;在国际移动通信领域,支持北斗三号新信号的首个5G移动通信国际标准已发布;在国际搜救卫星领域,已经完成北斗中轨搜救载荷相关标准文件制定和入网测试。
在推动北斗国际标准工作的同时,北斗产业所急需的北斗国内标准也几乎同时推进。杨长风带领北斗团队,先后组织论证并发布了《北斗卫星导航标准体系》1.0版本,完成了北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件、公开服务性能规范及29项北斗专项标准的编制与发布。北斗标准体系的发布为北斗卫星导航各级各类标准的立项论证、标准编制等工作提供了科学指导和规范依据,为国内开展芯片、模块、高精度板卡、北斗终端与模拟器研发测试、星地对接与在轨测试等工作提供标准依据,有效促进了我国卫星导航系统建设、终端研发和实际应用的标准化。
10年来,我国卫星导航与位置服务产业总体产值年均增长20%以上,2019年总体产值达到3450亿元,2020年有望超过4000亿元,北斗加速进入新基建,与新一代通信、区块链、物联网、人工智能等新技术深度融合,北斗应用新模式、新业态、新经济不断涌现。
对杨长风和他的团队来说,卫星导航应用仅受人类想象力的限制,需要一代代“北斗人”接续不断地探索与创新,推动我国卫星导航产业的持续健康发展,让北斗系统不仅建得更好,而且用得更好!
融合创新,北斗国际化迎来新的发展局面
杨长风曾经说过,在北斗系统建立之初,就确立了一个理念,那就是“中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗”。
北斗是服务全人类的。国际化是北斗系统的天然属性,是北斗系统建设发展的内在要求,也是北斗服务全球、造福人类的使命任务。
但北斗这一国之重器如何实现国际合作,如何与美国、俄罗斯、欧洲另外三大全球卫星导航系统实现兼容互操作,这在我国国际合作历史中前所未有。杨长风提出“大国合作、多边主导、国际标准、海外推广”四大国际战略,带领着北斗团队,以开放、合作、共赢的心态,探索出一条全新的北斗国际化发展方向,拓展了一个又一个国际合作。
谈判场就是战场,杨长风及其北斗团队攻守兼备,每一场谈判应对,每一次协商斡旋,都在考验着团队的智慧与勇气。虽然经历了种种摩擦和较量,在成长的26年间,北斗系统始终坚持开放合作、资源共享,通过积极参加国际会议、广泛参与国际交流、持续融入国际标准等,以实力得到国际同行认可,在发展自身的同时,努力促进全球卫星导航事业进步。
作为联合国认可的全球卫星导航系统四大核心供应商之一,中国北斗与美国、俄罗斯、欧洲卫星导航系统持续开展兼容与互操作,监测评估、联合应用等合作顺利推进,共同为全球用户提供更加优质的服务。北斗在联合国全球卫星导航系统国际委员会(ICG)等多边平台上积极发声,显著提升国际影响力和美誉度。北斗系统相关产品已出口120余个国家和地区,为用户提供了多样化的选择和更好的应用体验。近年来,基于北斗的国土测绘、精准农业、数字施工、智慧港口等,已在东盟、南亚、东欧、西亚、非洲等得到成功应用,让中国航天的科技成果为创造人类更加美好的未来贡献力量。
ICG在设计代表本机构的标识时,专门将四大全球卫星导航系统的各自卫星作为标识组织部分,现在该标识中的四颗卫星中就有代表着中国的北斗卫星。
随着中国国际地位不断攀升,我们从最初在ICG中没有主席席位到现在5个主席席位,中方专家推动成立了国际GNSS监测与评估服务任务组、应用子工作组,发起了国际GNSS性能监测评估倡议,深度参与推动了ICG机构改革等各项事物。
2012年,ICG第七次大会首次在中国举办,会上,中国积极与各大卫星导航系统供应商协调,成功推动首次发表全球卫星导航系统共同宣言(《北京宣言》)。该宣言认为,世界卫星导航领域已进入多系统融合应用阶段,各卫星导航系统应进一步加强合作,更好地造福人类。
6年后,ICG第十三次大会再次来到中国。会上,中国倡导全球各大卫星导航系统供应商支持卫星导航系统的技术创新,面向陆地、海洋、大气和空间应用对卫星导航系统的需求,共同促进构建完全满足民用定位导航授时(PNT)应用需求的下一代PNT体系架构。经过艰苦谈判和大国博弈,这一倡导得到各方认可,成功发布《西安倡议》。
带着“中国的北斗、世界的北斗、一流的北斗”这一发展理念,杨长风带领北斗团队一直积极开展国际合作。从会议策划、会议方案制定、会议组织实施,到会议成果总结,杨长风带领北斗团队,坚持高标准、严要求,出色地完成了一次次国际合作任务。
追求卓越,永远是北斗精神中不变的底色
在新时代北斗精神“自主创新、开放融合、万众一心、追求卓越”的引领下,几代北斗人用20多年的时间走过了国外卫星导航系统40年的发展路程,首次创造了3种不同轨道构成的混合星座,以及独具特色的短报文通信和星间链路,实现了通导融合和自主运行。今天,中国北斗系统已经走出国门,跻身世界四大全球卫星导航系统行列,成为世界卫星导航领域的重要力量。
作为亲历者,杨长风坦言这一历史过程是“风风雨雨,酸甜苦辣,历历在目”,在北斗团队中,有国家“两弹一星”功勋奖章、“共和国勋章”获得者孙家栋院士,80多岁高龄依然和年轻的研发人员一起摸爬滚打,也有无数中青年科研技术骨干力量。这支队伍既要继承精益求精的科研精神、传承丰硕的科研成果,同时也要大胆创新突破既有的思维范式。杨长风带领北斗团队大胆实施创新管理,为北斗系统的创新发展铺出一条更平坦的路。
近年来,中国的航天人才队伍越来越年轻化,中国航天科技集团55%是35岁以下的青年人,所有型号总设计师、总指挥中将近一半人不到45岁,平均年龄比国外航天团队年轻十几岁。扁平化的管理体制、全方位的政策支持,让青年科研团队放手去干,让系统工程管理思想这一钱学森开创并传承下来的宝贵财富,在新时代散发出耀眼的光芒。
今天,北斗前进的脚步没有停止,创新发展的精神也不会停歇。正如杨长风所言:“不论走多远,我们的初心永远不会改变,从此,北斗将永远走在‘为全人类提供导航服务’的路上”。
(撰稿:中国卫星导航系统管理办公室)