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米乐M6北斗简史:一文读懂邦产导航的26年生长道
日期:2024年01月18日    来源:网络

  至此,中邦耗时26年、参加赶过120亿美元、先后发射59颗卫星的自研卫星导航体例到底修成。

  这意味着中邦有了自身的环球导航定位体例,彻底解散了依赖GPS的汗青。这也意味着,北斗将向目前仍占领着1.2万亿环球卫星导航财产中90%市集份额的GPS导航体例倡始新一波袭击。

  有众少功效,就要付超群少汗水。记忆26年的北斗研发与组网进程,有主旨修造被卡脖子的无奈,有以4小时险胜频率之战的惊险,也有冲后一年发射18颗星的骄傲。

  北斗的汗青,固结着中邦科技正在封闭境遇中仍起劲自立革新的实习阅历。正在当下这个艰屯之际,北斗26年来时道,对中邦新一轮的科技自立革新是一个紧急鉴戒。

  这场搏斗一反古代作战方法,美邦祭出大方无误制导火器。结果,搏斗仅用40余天便解散,美军以146人阵亡、467人受伤的价钱赢得搏斗告成。比拟之下,败北的伊军伤亡人数达10万。

  过后美邦正在对这场搏斗的总结告诉中,将告成归功于一项新技艺——美邦于1973年开首研发和设备的GPS。

  恰是借助GPS的定位、导航才略,无误制导火器能够极高的掷中直爽达方向,既避免伤及无辜,又大大擢升作战成果。

  从此,便散布出一句军事名言:谁能独揽卫星导航的上风,谁就独揽了搏斗主动权。

  本来除了大师都能念到的定位、导航以外,卫星导航体例还具有无误授时、测速等性能,正在干系邦民经济临盆安详的诸众范畴都饰演着紧急的脚色。例如正在人们一经习认为常的高铁中,导航体例正在不依赖于地面修造的情状下能全天候为列车举办定位和测速,从而避免列车追尾;正在电网中,电厂、变电站的电力主动化修造、安详主动包庇修造、障碍记实等智能修造须要同步运转,此时就用到导航卫星的授时性能;乃至人们天天行使的共享单车,也仰仗定位体例实行电子围栏泊车。

  不光如斯,正在无人驾驶、测绘、出海航行、灾荒抢救等浩繁范畴,导航体例阐述着无可替换的影响。

  而正在战时形态,一朝导航体例不受自身负责,那么精准制导火器的精准性、飞翔途径就无法保障。吃紧的情状下,火器乃至无法作战,形同废铁。

  能够说,卫星导航体例就像邦度和人类的第三只眼睛,观测着地球上产生的一起举动。

  早正在20世纪60年代,中邦就开首切磋运用卫星举办地面定位供职。但因为当时邦力较弱等情由,这一企图并未践诺。

  1985年10月,“863”企图提议者、中科院院士陈允芳正在中邦科学院和原总顾问部测绘局团结召开的集会上提出了一个大胆的构念:用两颗地球静止轨道卫星,就能够遮盖中邦区域,并对地面方向和海上挪动物体举办定位导航,还能兼具通讯性能。

  1989年9月25日,正在北京一处亏折30平米的临机会房里,陈允芳初次用两颗卫星演示了“卫星定位体例”。越日,新华社发外音尘:我邦运用两颗卫星将敏捷定位、通讯和准时一体化并取得理念的试验数据……

  但因为没有适应的机会,自修卫星导航体例的念法继续没被珍贵。海湾搏斗让极少有远睹的科学家认识到卫星导航体例的紧急性。而尔后产生的“银河号”事项,则让中邦人认识到自修卫星导航体例的需要性。

  1993年7月23日,中邦“银河号”货轮载着极少五金和创设原料运往中东。当货轮行驶到印度洋上,猝然放弃了——导航没有信号,舵手不辨宗旨,无法延续前行。随行舵手还认为是信号修造出了障碍,结果奈何维修都无济于事米乐M6。自后才得知,本来是美邦猜疑中邦向伊朗输送火器,蓄意停掉了该船所正在海域的导航信号。

  这一音尘传回邦内,让很众航天科学家和邦防职员认识到自立导航的紧急性。随后,中科院院士孙家栋找到时任邦防科工委副主任的沈荣骏,称“繁荣卫星导航,刻阻挡缓,势正在必行。”

  彼时,美邦已正在GPS工程上参加了赶过200亿美元,且每年维持用度高达5亿美元;但当时中邦的经济根基仍异常虚亏,研发席卷航天正在内7大范畴技艺的“863”企图预算也才唯有100亿公民币。

  有一个故事的确地响应这种窘状。当时北斗工程的办公室异常告急,北斗体例副总安排师谭述森与4片面共处一个办公室,而这间办公室亏折20平米,只可牵强容下几片面的办公桌。

  好正在,中邦人有自身的聪敏,穷有穷的想法。既然不行一口吃个胖子,那就分三口吃。

  于是,我邦将导航卫星的设备分为三步:第一步仅遮盖邦内区域,第二步渐渐遮盖亚太区域,第三步再遮盖环球。

  这也是59颗北斗卫星分属北斗一号、北斗二号、北斗三号的由来——北斗一号为试验阶段,共发射了4颗试验卫星,遮盖邦内区域;北斗二号有14颗组网卫星(现实上共发射了23颗),可实行亚太地域的遮盖;北斗三号则包蕴30颗组网卫星(现实发射32颗),可实行环球遮盖,精度可媲美GPS。

  卫星导航体例是干系一邦军事安详的“邦之重器”,而当时的西方邦度正在险些全盘高科技范畴都对中邦践诺厉峻的技艺封闭。例如,正在大推力电动振动试验修造范畴,20世纪80年代以前外洋对中邦禁运1吨以上推力的振动平台,90年代后改为禁运5吨以上推力的振动平台,后又改为禁运9吨以上的修造。

  乃至1996年7月,席卷美邦、英邦正在内的33个西方邦度又缔结《瓦森纳协定》,对中邦等邦度践诺军用、军民两用商品和技艺的负责清单,席卷电子器件、阴谋机、传感器、新原料等9大类高新技艺被践诺禁运。

  当时的北斗一号研发团队,陈允芳、孙家栋等人没有采选采用GPS的无源定位技艺,而是基于有源定位技艺(定位时,用户终端需通过导航卫星向地面负责核心发出一个申请定位的信号;无源定位则不须要),用两颗地球静止轨道卫星就能够对地面方向和海上挪动物体举办定位导航,且能遮盖中邦及周边区域。但北斗一号没有高度讯息。

  而要竣事近似区域的遮盖,遵守GPS和苏联的格洛纳斯(苏联崩溃后由俄罗斯”接受“)体例的道理,起码须要三颗卫星。

  北斗一号的另一个卓殊之处是,它还具备平常导航卫星没有的短报文通讯性能。这意味着北斗卫星同时具备卫星的3个厉重操纵宗旨——“通导遥”(即通讯、导航和遥感)中的两项。

  立项6年后的2000年,北斗一号的首批两颗地球静止轨道卫星获胜发射,北斗一号试验体例正式修成并开首参加行使。

  假使北斗一号看上去简陋,但事理杰出,依附这两颗卫星,中邦成为继美邦、俄罗斯之后寰宇上第三个具有自立卫星导航体例的邦度。

  然而务必认可的是,固然当时距北斗正式起步已过去9年,但北斗与GPS照旧差异显明。

  北斗一号的定位精度为20米,授时精度为单向100纳秒,短报文通讯才略为120个汉字/次。比拟之下,此时GPS不光已遮盖环球,且民用定位精度和授时精度判袂到达10米和10纳秒级别;军用定位乃至一经无误到1米。

  而北斗一号只可供给恍惚的定位、授时性能,况且无法测速。如许的北斗,不光正在商用范畴没有上风(GPS可正在环球免费行使),军用范畴的价钱也有限。

  缺钱、缺技艺之后,中邦行动导航体例沙场的自后者,还面对着第三个资源型的寻事——缺频率。

  中邦要真正正在北斗一号的根基上擢升卫星导航体例的无误性和伸张遮盖区域,就要发更众卫星。而卫星上天的条件,是具有合法的频率轨位。

  邦际电信同盟(ITU)分派给卫星导航体例的频率资源是有限的,这是寰宇上念要繁荣自身的卫星导航体例的邦度必争的名贵资源。而赢得合法的轨位,须要先向ITU申报,并与联系体例举办谐和。

  1994年,北斗一号启动的同时,中邦也开首正在ITU的框架下启动北斗导航卫星体例的频率申请作事。

  此时,导航卫星的“黄金导航频段”L频段一经被先发的GPS、格洛纳斯体例攻陷,中邦只可申请次优频率。

  到2000年,中欧前后脚向ITU提出了导航卫星体例的频段申请:中邦正在当年4月17日先活动,不到两个月后的6月5日,欧盟也向ITU提出了频率申请。

  为此,从2000年起中邦先后与20众个邦度、地域和邦际构制的300余个卫星汇集发展了频率谐和。

  频率谐和并不是个容易活儿,最初就要说服对方,怎么正在不影响对方长处的同时实行频率兼容。北斗频率安排与邦际谐和首席专家谭述森插足了全经过。

  源委庞杂的频率安排与全面的扰乱仿真阴谋,谭述森创建性地提出了卫星导航频谱共用与兼容性评估准绳。计划最终取得了其他卫星汇集的承认,北斗到底赢得合法频率。

  然后才到了第三步:真枪实战发卫星、传信号的阶段,这是一场分秒必争的“死活时速”。

  由于依据ITU的法规,频率资源要“先用先得”和“过期作废”,有用期以申请日期开首阴谋,唯有7年。

  这是北斗的第一道光阴锁——即中邦务必正在2007年4月18日零点之前获胜发射导航卫星并获胜播发信号。

  况且中邦不光要和光阴竞赛,还要和一个阻挡小觑的敌手比赛,那即是欧洲的伽利略体例。这是由于中欧两边固然判袂向ITU申请了频段,不过两边导航体例的频率正在1164MHz~1215MHz段内高度重合。遵守IUT的“先用先得”规定,两边须要比赛频率。

  频率一朝作废,此前数年的打定、申请调和和作事就会前功尽弃;研发上,还得调治原有修造中的发射频率标定点、晶体等安排与部件,以适配更调后的频率,其经过极为繁琐,险些等于从新再来。

  而好阻挡易申请、谐和好频率的北斗体例此时正遭遇了“DDL(截止光阴)的危殆”。

  正在频率下来后,中邦北斗卫星导航体例统制办公室即刻开首构制立项和打算企图。结果排下来一看,最早也要到2007岁终才干发射首颗卫星,这比2007年4月18日零点的失效日期众了整半年。

  要保住频率,只可把发射日程提前半年。这正在中邦航天史上也是一直没有过的事。

  而此时的伽利略体例,无论正在技艺上照旧工程发展上都领先于北斗,北斗胜出机遇苍茫。

  2002年,伽利略导航企图启动。但因为当时欧洲正曰镪财政危殆,伽利略企图发展并不顺手。

  2003年,美邦对伊拉克发起搏斗。这片跟欧洲隔海相望的土地上的烽烟,让欧洲人感染到了“单极寰宇”的损害。

  时任法邦总统的希拉克对外倡议修造“众极化寰宇”,时任德邦总理施罗德也对此默示援助。

  中邦到场伽利略企图,不光使欧洲极少邦度的诱导人赚足了政事血本,也使“伽利略”企图左支右绌的财务境况获得极大缓解,更给“伽利略”进入中邦市集打下了根基。

  对中邦而言,到场伽利略企图也有实实正在正在的好处。遵守企图,伽利略导航体例是基于民用的环球卫星导航定位体例,非军方负责、统制,且精度和牢靠性都优于GPS。正在无需忧虑军事胁迫的情状下,它不光能为中邦供给免费定位、导航和准时供职,还能让中邦粹到优秀的导航技艺。

  2004年中欧正式缔结技艺团结和道,中方允许参加2.3亿欧元的巨额资金,第一笔7000万欧元的金钱很疾就到位了。

  2005年,欧洲各邦的亲美政事人物纷纷上台,欧洲政事开首转向,再次回到美邦阵营中。

  当初为伽利略企图参加巨额资金的中邦,此时不光没获得与之相等的对付,乃至待遇还不如没投钱的其他非欧友邦家,如印度。

  2005年12月28日,伽利略企图的首颗试验卫星“GIOVE-A”被顺手送入太空轨道。

  为何卫星都上天了却没开通频率呢?情由是没钱。开通频率须要用钱,但此时的欧洲手头正紧。

  不光第一颗卫星上天没开通讯号,缺钱的欧洲还把伽利略企图的第二颗卫星的发射光阴推迟了两年。原定于2006年发射的伽利略体例第二颗卫星GIOVE-B最终正在2008年4月27日获胜发射并向地球传回了首个信号。那时北斗二号首星早已上天了一年众。当然这是后线年,伽利略企图虚晃的一招,反倒给了北斗一个翻身机遇。

  眼看北斗发展直追伽利略企图,没占到频率的欧洲又使出了此外一招——用主旨修造范围中邦。

  “现实上它(欧洲)是禁运,要负责这种高精尖的东西,不卖给咱们。”北斗卫星导航体例总安排师杨长风正在印象这一风浪时说。这里有需要疏解下原子钟。简便阐明原子钟就如统一块腕外,是一种无误衡量光阴的时钟,它以原子共振频率圭臬来阴谋及维持光阴确切切,这是寰宇上已知最确切的光阴衡量和频率圭臬。它直接定夺着卫星导航体例的精度,对全部工程的紧急性宛如人的心脏。

  数次尝到团结伙伴环节岁月“掉链子”味道的北斗研发职员,到底铁了心——与其被别人卡脖子,不如自身制出原子钟。哪怕技艺弱一点,也要把主动权牢牢攥正在自身手里。

  按北斗总安排师杨长风同意的方向,中邦自身研发的原子钟差错要到达10的-12次方,即原子钟每十万年只产生一秒的差错。

  为了赶工期,北斗组修了中科院、航天科技、航天科工三支队列,同时攻合,并正在根基外面、原料、工程等范畴同步举办推动。最终两年之后,邦产星载原子钟被获胜研制出来。

  但中邦仍坚决用自身的原子钟。“咱们制出了主旨环节器部件,邦产化的信仰也加强了。”杨长风说。

  2007年4月上旬,赶正在频率失效前的结果几天,卫星被运到发射基地,搭上发射塔架。

  卫星结果的发射日期定正在4月14日。这个日期一经很告急了,假如一起顺手的话,该星升空并回传信号,北斗就能赶正在4月18日频率失效前竣事频率占用。

  这个应答机,相当于人们用的手机,它让天上的卫星和地面汲取站酿成互联互通。应答机坏了,卫星就不行发射无线电信号,那就拿不到合法的频率资源。

  “最环节的岁月,出了这个题目,咱们尽头揪心。”北斗卫星导航体例总安排师杨长风说。

  北斗科研职员唯有3天的光阴来处分这个题目。为了确守卫星满有把握,研发职员正在细切磋后定夺对卫星“开膛破肚”。作事职员先爬上塔架翻开仗箭、拨开卫星,然新进去拿出有题目的应答机修造,这经过不行有涓滴的失当操作,不然其他体例受到损害障碍将更大。

  结果,应答机拿出来了,此外一个题目也来了:应答机的科研单元正在上海,发射地所正在的西昌彼时还没有高速公道和机场,念正在3天内往返于西昌和上海并修复应答机,绝无能够。

  “振动了四五个小时,都是怀里抱着的,避免车的晃动(损坏应答机),像个孩子相同包庇着。”杨长风说。

  作事职员到底赶正在发射前将应答机装回卫星。2007年4月14日4时11分,这颗肩负着保频率工作的北斗卫星获胜发射。

  接下来的三天,十众家北斗卫星研制厂家召集正在一个大操场上,把卫星信号汲取机摆成一线,恭候着信号的传回。作事职员不分日间黑夜地调试地面修造,汲取信号。但直到4月17日日间,地面站仍未收到卫星信号。

  这三天,对年近50岁的杨长风而言过活如年。“维修的那三天说句实正在话,神志告急、深浸、压力也很大,72小时基础上没合眼。”他称。

  17日晚,眼看着ITU的“七年之限”即将到期,地面信号接收机仍毫无动态。

  到了黑夜八点,十几个用户汲取机界面猝然跳动,北斗卫星到底下发了第一组信号。

  看到这一幕, “咱们全部操场欢呼跳跃,同志们彼此拥抱,来恭喜这个告成。”杨长风印象称。

  北斗二号首颗卫星完好竣事工作,不光获胜入轨,还占到了频率。但惊险的是,恭候了7年的北斗卫星,结果正在离ITU的“7年之限”不到4个小时的岁月迎来合法化。

  “一说起这个场景,我就要啜泣。这是一种压力的开释,更是竣事劳动的一种喜悦。这项作事干系到全部北斗体例,干系到它他日的繁荣。汲取不到信号,就没有现正在的北斗体例。”众年后正在接收媒体采访时,杨长风印象当时的场景仍煽动不已。

  正在全部北斗工程中,这颗星充任着承先启后的影响:既是前13年起劲的结晶,也为接下来13年的设备打好铺垫。

  2009年,第二颗北斗二号导航卫星发射;2010年一年,5颗卫星接踵发射;2011年,又有3颗北斗卫星发射,个中一颗还资历了冒雨发射,颇有雷打不动的意味。

  尔后北斗二号体例又增加发射了6颗卫星,至今仍正在为亚太地域供给导航等供职。

  现实上,正在2010年北斗二号发射第三颗卫星时,就正式采用与欧洲“伽利略”卫星相同的PRS频段。为此欧洲航天局的代外团数次来到北京央浼与中邦商洽。

  欧洲官员的说法是,该频率是欧洲从美邦人手中花“血本”赢得的,况且伽利略体例早已按此频率举办技艺安排,一经无法批改,是以哀求中邦北斗体例“徙迁”到其他频道上。

  但中邦事遵守ITU的“先占先得”法规依法取得的频率,没有源由让出。2015岁首,无计可施的欧盟被迫接收了中邦提出的频率共用理念,中欧的频率之争获得处分。

  8年后的2017年11月5日,我邦获胜以“一箭双星”的方法发射2颗北斗三号中圆轨道卫星。这是北斗三号卫星的初次发射,象征着中邦北斗卫星导航体例步入环球组网时期。

  这年12月27日,中邦卫星导航体例统制办公室主任、北斗卫星导航体例消息言语人冉承其正式对外公告,北斗三号基础体例竣事设备,开首供给环球供职。

  一个例子便是,2019年下半年,欧洲伽利略导航卫星体例的全盘供职中止,且中止时长近一周。

  然而最终障碍的探问告诉却让人无语:体例瘫痪的首恶祸首是人工失误加统制纷乱。简便来说,即是没人管导致的。

  很难信托,这即是十众年前正在技艺、资金和研发进度等方面都赶过北斗的导航体例。

  此次发射的结果一颗北斗组网卫星,是第32颗北斗三号卫星,同时也是第55颗北斗环球组网卫星。

  至此,全部北斗系列共发射了59颗卫星,他们判袂漫衍正在地球静止轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)和中圆地球轨道(MEO)。

  个中,正在结果用以支持北斗体例环球遮盖的30颗北斗三号组网卫星(小于现实发射的卫星数目)中,3颗是GEO卫星,3颗是IGSO卫星,24颗是MEO卫星。

  三类卫星彼此配合——3颗GEO卫星可基础实行对中邦区域的三重加强遮盖,可消浸全部星座的卫星数目,以负责本钱,且GEO卫星还具备短报文通讯性能,一星众用。

  3颗IGSO卫星则可填充GEO卫星正在高纬度地域仰角过低的题目,可对高纬度地域举办有用的信号加强。

  结果24颗MEO卫星则组成了北斗环球组网的主旨星座,GPS、格洛纳斯和伽利略导航体例的卫星均布置正在该轨道上。

  但因为地缘政事情由,我邦不行够像美邦GPS那样,正在环球修造时面站。为处分境外卫星的数据传输通道题目,北斗体例又最先采用了一个怪异的新安排——选取星间、星地传输性能一体化安排,实行了卫星与卫星、卫星与地面站的链道互通。

  这一方法被称之为“星间链道”,它不光处分了正在环球修地面站的困难,还将北斗体例的精度擢升了两倍。

  乃至,连GPS正在2010年升级后的二代体例中也采选了用这种方法结合。这一次,中邦聪敏再次让“敌手”叹服。

  按企图,到2035年我邦将修成以北斗为主旨,加倍调解、加倍智能的归纳定位导航授时(PNT)系统。

  欧洲环球导航卫星体例局正在《2019年环球卫星导航市集告诉》中称,2019年环球卫星财产产值约为1507亿欧元,折合公民币约1.2万亿元。

  这个中,赶过90%的市集被GPS攻陷,其他导航体例分食剩下亏折10%的市集。

  假使目前GPS仍一家独大,但跟着北斗、伽利略等体例设备竣事,GPS的上风正正在削弱。

  最初,我邦的北斗导航体例初次创建了三种差异轨道的羼杂星座,因为高轨卫星众,是以抗遮挡才略强,正在低纬度地域机能更为显明;

  第三,北斗导航体例以“星间链道”的结合方法庖代环球修地面站的方法,可不依赖地面通讯站实行导航和通讯性能。

  正在当年的《中邦卫星导航与身分供职财产繁荣白皮书》发外会上,中邦卫星导航定位协会的代外对2013年冠以两个“元年”——“北斗体例正在片面手机终端和车载电子修造标配化的启动元年”和“北斗身分供职的元年”。

  这一年,邦度层面数次促进北斗贸易化:1月14日,交通运输部布置加疾推动“要点运输经过监控统制供职演示体例工程”践诺作事,成为第一个北斗卫星导航体例民用演示工程;9月,邦度繁荣蜕变委、科技部等部分配合切磋草拟的《邦度卫星导航财产中永恒繁荣经营》正式发外践诺,其提出到2020年北斗导航及其兼容产物对邦内卫星导航操纵市集的功劳率要到达60%。

  尔后,北斗接踵正在电力、车辆统制、汽车导航、可穿着修造、帆海导航、GIS数据采撷、精准农业、聪敏物流、无人驾驶、工程勘测等范畴睁开操纵。

  我邦铁道厉重是通过信号机、列控等信号体例来保证列车运转安详。不过,信号体例差异水平地依赖于地面修造。正在强自然灾荒等非常情状下,修造能够遭到吃紧损坏,导致更改指使产生盲区,从而激发列车追尾等巨大交通事件。而北斗体例正在不依赖于地面修造的情状下还能全天候为列车举办定位,成为避免列车追尾事件的首选计划。

  共享单车停放是都会统制者最头疼的事之一。正在操纵了北斗定位体例后,单车可指定某个电子泊车区域,车辆唯有停放到区域内才也许锁车,不然无法锁车并继续计费。

  依据中邦卫星导航定位协会发外的《中邦卫星导航与身分供职财产繁荣白皮书(2019)》,截至2018年,仅中邦的卫星导航与身分供职财产总体产值已达3016亿元,与卫星导航技艺研发和操纵直接联系的财产主旨产值达1069亿元,北斗对财产的主旨产值功劳率达80%。

  假使目前北斗的市集周围正在1000亿掌握,远低于美邦GPS,但其潜力正加快发作,越来越众的外洋项目,一经承认北斗的价钱。

  先是东南亚四邦(泰邦、老挝、文莱和缅甸)与中邦政府缔结和道,采用我邦的北斗导航体例。

  到2019年,北斗体例一经正在印度尼西亚土地确权、科威特修设施工、乌干达疆土测绘、缅甸精准农业、马尔代夫海上打桩、柬埔寨无人机、泰邦仓储物流、巴基斯坦机场授时以及俄罗斯电力巡检等范畴获得普通操纵。

  当前,北斗地基加强技艺和产物成系统输出海外,北斗根基产物已出口至120余个邦度和地域,北斗高精度产物也出口到90众个邦度和地域。

  由于一个没人用的导航体例正在机能擢升和行业渗出上都邑遭遇瓶颈,也就失落了正在危急形态下的安详根基和充任反制机谋的潜力。数年前,环球最有名的军事期刊英邦《简氏防务周刊》就曾撰文称,

  当前看,这一说法正正在缓慢应验——中邦独立研制的导航体例不光打破了各式外洋封闭,还站到了寰宇卫星导航的竞技场,并缓慢秀出肌肉。

  这种封闭是环球化退步的无奈气象,将给各邦财产带来阵痛,并反复花消全人类本就不众的资源。但面临已正在酿成的真相,经济和技艺上仍是后发邦度的中邦也没有更众的采选:只可自身干。

  怎么正在起步光阴、资金、技艺、人才乃至邦际资源都处于下风的情状下闯出一条道?北斗大概能给中邦科技繁荣带来开辟。

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