国防科大为北斗星群打造专属“天路”

国防科技大学空间仪器团队近日在北斗卫星导航系统技术上取得重大突破，成功攻克星间链路光频梳精密测量技术难题，实现了优于1.6纳米的测距精度，达到公开报道的最高水平，为下一代北斗卫星的星间链路搭建了一条专属“天路”。这项技术突破为北斗三号的全球服务提供了关键核心技术支撑，使得北斗系统仅需在国内部署地面站，即可实现全球范围的覆盖。该团队首创星间链路地面支持系统，并通过“并发空分时分”空间协同测量理论和工程方法，实现了全星座高精度定轨，为北斗系统的全球化发展奠定了坚实基础。未来，他们还将探索星间链路在网络持续演进中的应用，助力构建更加泛在、融合、智能的综合时空体系。

近日，国防科技大学空间仪器团队成功突破星间链路光频梳精密测量技术瓶颈，实现了优于1.6纳米的测距精度，达到目前公开报道中的最高水平，为下一代北斗卫星导航系统星间链路提供关键核心技术支撑。

该团队曾主导完成北斗三号全球卫星导航系统（以下简称“北斗三号”）星间链路的论证与研制工作。截至3月30日，星间链路已在轨稳定运行十年，有效支撑了北斗三号的全球服务。

“星间链路是卫星之间的测量与通信连接方式，就像是在卫星之间架设的一条‘天路’，让卫星之间如同互加好友，可以直接发送信息、共享位置，实现自主运行。”北斗三号星间链路发明人、团队负责人杨俊在接受科技日报采访时表示，这使得北斗三号仅需在国内部署地面站，即可实现全球范围的服务覆盖。

攻克厘米级卫星间测距难题

按照“三步走”发展战略，北斗系统建设的第三步是构建全球化的北斗三号系统。然而，许多人担心：前两步相对容易，第三步却困难重重。

原因在于我国难以在全球范围内建立地面观测站，境外区域存在观测空白，这对系统的全球精度构成巨大挑战。这也是北斗系统从区域走向全球必须克服的最大技术障碍。

解决这一问题的关键就在于星间链路技术的突破。尽管美国GPS等系统也曾尝试应用星间链路，但其仅作为辅助手段。而北斗的星间链路则需要建成“高速公路”，成为卫星互联的核心主干。

2010年，空间仪器团队正式承担起这一世界级难题的攻关任务。此前，他们已在卫星测控和导航领域深耕多年，并于2007年率先开展相关论证和技术预研。

从理论到工程实践，面临诸多挑战，其中首当其冲的就是星间测距仪的研发。“这相当于打造一把连接卫星的‘尺子’，要在秒级时间内对相隔数万公里的卫星进行厘米级测距。”团队成员郭熙业介绍道。

太空辐射、极端温差等环境因素只是技术攻关的“开胃菜”。更艰巨的任务是在超远距离、大动态范围、超高精度要求下，快速稳定捕获微弱信号并精确测量。经过深入研究，郭熙业果断调整原有方案，采用“以时间换空间”的策略，适当延长预处理时间，压缩捕获范围，提高效率。他还提出了集精确指向、快速捕获、精密测量于一体的多要素算法，仅需数十毫秒便可完成星间信号捕获。新方案显著提升了资源利用率，灵敏度提升30倍，测距精度也达到了厘米级别。

实现全星座高精度定轨

除了测距功能，星间链路还需实现整个星座的精密定轨管理。这同样是一个前所未有的挑战，缺乏现成经验可循，前路未知。

如何破局？不能盲目试错，必须依靠科学的方法论。

杨俊指出：“星间链路就像一个大型空间测量仪器，需要一套协同测量理论和实施方案。”本质上，这是一个涉及多点、远距离、大动态、高精度的测量通信问题。

“我们可以让一颗卫星同时与多个卫星进行相互测量，通过几何拓扑关系计算出自身位置。”团队成员陈建云解释说，这就相当于单颗卫星拥有十几条测量基线，形成多面体结构，从而准确确定卫星轨道。

他进一步说明：“所谓‘同时’只是一个相对概念，只要我们足够快，在系统层面看来就是同步的，类似于计算机的并行处理。”

最终，团队提出了“并发空分时分”空间协同测量理论和工程方法。这是一种结合时间维度（时分）和空间维度（空分）协同编排的多节点、多任务并行测量优化理论。该方法不仅增强了观测几何强度，还解决了星座状态变化和扩展应用的网络弹性问题，极大提高了星间链路配置的灵活性和可扩展性。既满足了单星十几条测量链路的需求，又兼顾了载荷体积、重量、功耗等卫星平台限制。

首创星间链路地面支持系统

借助星间链路，北斗系统可在境内实现对整个卫星星座的控制管理，完成所有卫星的精密定轨和时间同步。

首发卫星是对星间链路方案及技术成果的最佳验证载体，其在轨表现至关重要。发射前一年，团队便全力投入星间链路载荷地面支持系统的研发。

“首先要确保地面系统与星间链路无缝对接，保障信息传输高效稳定。”郭熙业提出，“若让首发卫星和地面系统互相指向实现对接难度较大，是否可以让卫星保持固定指向，由地面系统主动追踪？这就好比穿针引线，如果针不动，线就更容易穿过。”

受此启发，创新性的“直捕方案”逐渐成型。

“在复杂的太空环境中，地面系统必须能够捕捉到卫星信号的细微变化，并及时做出调整。”擅长硬件设计的团队成员孟志军建议，“可以在地面系统中加入星间链路的‘体检设备’，尽可能完整地采集所有信号变化。”最终，团队决定将具备信号采集、数据分析、状态诊断等多项功能的星间链路地面检测设备集成至地面系统中。

这群争分夺秒的年轻人提前半年完成了地面系统的部署。2015年3月30日，搭载星间链路载荷的北斗三号首颗卫星成功升空。2024年6月，凭借此项开创性成果，团队荣获2023年度国家技术发明奖二等奖。

研究仍在持续推进。团队表示：“攻克星间链路光频梳精密测量难题，只是下一代北斗系统星间链路技术升级迈出的一小步。未来还将探索星间链路在网络持续演进中的应用，构建混合链路新机制，并计划突破智能组网技术，助力未来更加泛在、融合、智能的综合时空体系建设。”

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