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歐美技術封鎖失敗!北鬥衛星裝上“中國芯”,和GPS比誰更先進?

作者:鐘銘聊科學

1990年的海灣戰争,當時伊拉克有強大的軍備:

超過145萬的正規軍和預備役部隊;
5000多輛各型坦克;
8000多輛裝甲車;
大口徑火炮3500多門;
700多架戰機和大量的先進飛彈。

結果,以美國為首的多國僅用了42天,就把伊拉克打到還無招架之力。

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這是因為當時美國使用了還未成熟的GPS系統,為美軍提供了精确的導航服務,助美軍對伊拉克進行了精确的打擊。這張戰争也讓大陸明白一個道理:擁有自己的全球衛星導航系統事關國家安全,也是國防能力的展現。

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2020年7月31日,大陸的北鬥三号全面建設完畢,這也使得大陸成為了第三個擁有全球衛星導航系統的國家。但由于大陸在全球衛星導航系統領域起步的比較晚,大陸全球衛星導航系統的研制過程中,有很多技術都處于掐脖子的狀态,比如:原子鐘、晶片、行波管等。

經過科研人員多年的不懈努力,北鬥的核心器部件做到了100%的自主可控,徹底擺脫了關鍵器部件被歐美國家卡脖子的局面。其中,北鬥三号還用到大陸獨立研發的“龍芯”。

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北鬥三号的“心髒”

北鬥三号一共由30顆衛星共同組成,其中包括了24顆地球中圓軌道衛星、3顆傾斜地球同步軌道衛星和3顆地球靜止軌道衛星。

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歐美技術封鎖失敗!北鬥衛星裝上“中國芯”,和GPS比誰更先進?

衛星被發射到天上後,地面控制系統不需要再管它,它自己可以運作。其中,衛星絕大多數的時間都是在陽光下的,可以利用太陽能來為自己供電。

但也存在着在太陽陰影處的時候,這時候衛星的兩翼太陽能充電闆就沒辦法再供電了,需要讓衛星的蓄電池自己給自己供電,這就需要衛星上的晶片操作這些步驟。

除此之外,衛星的許多功能,比如:星間鍊路、軌道運算、運作管理、波速指向和路由等功能,都需要衛星晶片強大的運算能力來實作。

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是以,晶片就好比是衛星的“大腦”或者“心髒”。之前我們使用的是歐洲的sc80c32晶片,這類晶片如果要想滿足北鬥三号衛星的功能需求,是需要好幾塊sc80c32晶片合起來一起使用。

除此之外,基于以往的經驗,衛星上使用sc80c32晶片大約每周都會出現一次計算錯誤。這個錯誤是因為北鬥衛星位于中軌道,指的是位于低地球軌道和地球靜止軌道之間的人造衛星運作軌道,大概在高于2000千米,低于35,786千米的高空。

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這裡的空間輻射環境非常得惡劣,大閱每周都會有一次一次單粒子翻轉。所謂“單粒子翻轉”指的是高能粒子打到晶片上,導緻計算機在二進制計算時出現從“0”變成“1”或者“1”變成“0”的情況。這時候程式就會出現問題,導緻衛星出現問題。這也說明了導航衛星上使用宇航級CPU需要非常強的抗輻射能力。

當然,這些問題,其實都可以想辦法克服,比如,設計一個容錯機制。但最大的問題其實還是在sc80c32晶片有被卡脖子的風險,

尤其是我們在快速上馬項目時,歐洲的供貨商沒辦法保證按照計劃時間提供産品,使得我們項目進度會被拖慢,同時sc80c32晶片的價格也不便宜。

2015年4月20日發射的北鬥雙星之上就采用了“龍芯+Flash構架”替代了進口的“CPU和PROM”的方案,其中龍芯使用的型号是:“龍芯 1E”和“龍芯 1F”。

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2017年11月,科研人員決定在北鬥三号的首發星上使用大陸自主研發的“龍芯”。該“龍芯”是一顆四核CPU晶片SoC2012,以及自主知識産權的作業系統SpaceOS2,抗輻照能力很強。後來北鬥三号的第二星也使用了該晶片,算上北鬥三号的全球組網星,龍芯的累計壽命已經抵達了30年,而單粒子翻轉是零,這要遠遠好于歐洲的sc80c32晶片。

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不僅如此,一塊龍芯的性能相當于10塊sc80c32晶片,這還是在龍芯面積增加了三倍,性能降低了三倍的情況下。也就是說,如果正常一顆沒有改變面積的龍芯,性能是歐洲sc80c32晶片的30倍,而且還不會出現每周一次的單粒子翻轉,可以說是相當的可靠。

要知道,宇航級CPU一直被認為是晶片中的“鑽石皇冠”。晶片産品中最貴的基本上都是宇航級晶片,之前美國的賽靈思公司的宇航級FPGA晶片創造了最貴晶片的記錄,價格是500萬人民币一顆,而北鬥三号上使用的宇航級CPU“龍芯”以900萬人民币打破了該記錄。

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也就是說,北鬥上的晶片現在不僅沒有被卡脖子,使用的“龍芯”還在宇航級CPU技術中處于領先的地位。

不僅如此,除了衛星上的晶片之外,終端裝置上也需要能接收北鬥信号的晶片,這在之前也是完全被歐美國家所壟斷,同時由于這屬于高科技領域,歐美國家一直在對大陸實作嚴酷的技術封鎖。

終端裝置中的“晶片”主要包括了射頻晶片和基帶晶片。而研究人員在多年的努力之下,也成功突破了歐美國家的技術封鎖,自主研制除了星導航基帶處理晶片“領航一号”以及全頻點導航射頻晶片,替代了進口晶片,擺脫了卡脖子的局面。

北鬥的性能如何?

可能有人要問題了,自主研發的北鬥衛星水準到底怎麼樣?

放眼全球,全球衛星導航系統隻有4個,分别是中國的北鬥、美國的GPS、俄羅斯的格洛納斯以及歐盟的伽利略。日本的QZSS和印度的IRNSS僅僅是區域衛星導航系統。

歐美技術封鎖失敗!北鬥衛星裝上“中國芯”,和GPS比誰更先進?

在全球範圍定位精度北鬥與GPS相當,局部區域(主要亞太地區)北鬥的精度是要優于GPS。不僅如此,北鬥還有自己的特色優勢。導航衛星的制高點技術是原子鐘,而北鬥上面配備的是大陸自主研發的雙頻氫原子鐘,這在四個全球衛星導航系統當中是技術領先的。

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其次,北鬥導航還采用了Ka相控陣星間鍊路,把衛星連接配接成了一個大網,實作了“一星通,星星通”,使得北鬥達到了厘米級的精度,這領先了其他幾個全球衛星定位系統近一個量級。

除此之外,北鬥衛星還能全球短封包,也就是說它可以擁有通信功能,這使得北鬥可以廣泛運用于然災害和重大事件中,比如:在汶川地震時,提供救援資訊;在武漢疫情時,幫助醫院建設提供放眼測量的支援;在測量珠峰高度時,提供有力的資料支援。

是以說,雖然北鬥起步晚于美國的GPS和俄羅斯的格洛納斯,但技術上不僅沒有落後,反而是屬于技術領先的梯隊,在四大衛星導航系統中,技術處于前二的水準。

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