文章來源(yuan)：光明日報 發布(bu)時間：2019-02-13
2月12日(ri)，我國(guo)采取一箭雙星(xing)方式，成功發射了北斗(dou)三號第五、六顆組網衛星(xing)，這兩顆衛星(xing)上各裝(zhuang)載了中國(guo)航天(tian)科(ke)工集(ji)團二(er)院203所(suo)研制的高精(jing)度銣原子鐘，作為我國(guo)自主(zhu)研制的星(xing)載原子鐘，其技(ji)術指標達到了國(guo)際(ji)先(xian)進水平。
隨著北(bei)斗(dou)三(san)號(hao)(hao)第(di)(di)5顆、第(di)(di)6顆導航(hang)衛星(xing)發射成功(gong)，李春景與他(ta)的團隊擊掌相慶，作為203所原子(zi)(zi)頻(pin)率標(biao)準研(yan)究室副(fu)主任，他(ta)曾負責(ze)北(bei)斗(dou)三(san)號(hao)(hao)導航(hang)衛星(xing)重大專項高精度星(xing)載銣(ru)原子(zi)(zi)鐘的研(yan)制(zhi)(zhi)，他(ta)帶(dai)領的團隊研(yan)制(zhi)(zhi)的星(xing)載銣(ru)原子(zi)(zi)鐘被視作北(bei)斗(dou)二(er)代導航(hang)衛星(xing)研(yan)制(zhi)(zhi)難度最大的產品(pin)之一，其技術含金量之高，攻克(ke)難度之大，曾讓北(bei)斗(dou)導航(hang)衛星(xing)總設計師謝軍感言其研(yan)制(zhi)(zhi)過(guo)程(cheng)“可歌可泣”。那么，原子(zi)(zi)鐘是什么樣的鐘？它跟衛星(xing)導航(hang)之間又有什么關系(xi)呢？
1、原子鐘是導航衛星的“心臟”
“星(xing)載原(yuan)子(zi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)作為(wei)導(dao)航衛星(xing)的(de)‘心臟’，決定了(le)導(dao)航系統的(de)導(dao)航定位、測(ce)速(su)及授(shou)時的(de)精(jing)度，是一(yi)個國家能否具(ju)備獨(du)立發展導(dao)航系統能力的(de)核心技術(shu)之一(yi)。”作為(wei)北斗二(er)代導(dao)航衛星(xing)高精(jing)度星(xing)載銣原(yuan)子(zi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)研(yan)(yan)發負責人(ren)，李春景已經在原(yuan)子(zi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)研(yan)(yan)制的(de)戰線上(shang)奮戰了(le)14個年頭，一(yi)談到星(xing)載原(yuan)子(zi)鐘(zhong)(zhong)(zhong)，他的(de)話(hua)匣子(zi)就打開了(le)。
據他介紹，北斗衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航(hang)(hang)(hang)系統作為我國正在實施(shi)的自主研發、獨立(li)運行的全球(qiu)衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航(hang)(hang)(hang)系統，其導(dao)航(hang)(hang)(hang)的基本(ben)原理為利用多個(ge)衛(wei)星(xing)(xing)與(yu)(yu)地球(qiu)上某個(ge)物(wu)體之(zhi)間(jian)的距離來確(que)(que)定(ding)該物(wu)體的位(wei)置(zhi)。根據物(wu)理學原理，這個(ge)距離可以(yi)用信號傳播速(su)(su)度與(yu)(yu)時(shi)(shi)間(jian)相乘而(er)得到，而(er)衛(wei)星(xing)(xing)導(dao)航(hang)(hang)(hang)所(suo)使用的信號傳播速(su)(su)度，其數值是固定(ding)的，因(yin)而(er)時(shi)(shi)間(jian)測(ce)度越精確(que)(que)，距離計算越精準，導(dao)航(hang)(hang)(hang)的位(wei)置(zhi)定(ding)位(wei)就越準確(que)(que)。
因而，從這一(yi)角度來說(shuo)(shuo)，“衛(wei)星(xing)導(dao)(dao)(dao)航(hang)的(de)核心(xin)就(jiu)是(shi)時(shi)間(jian)測量(liang)”。203所另外一(yi)款星(xing)載(zai)原子鐘(zhong)——氫(qing)原子鐘(zhong)的(de)主管設計師(shi)王文明說(shuo)(shuo)，導(dao)(dao)(dao)航(hang)衛(wei)星(xing)上用(yong)來計算時(shi)間(jian)的(de)精密裝置就(jiu)是(shi)原子鐘(zhong)，它(ta)利用(yong)原子吸收或(huo)釋放能量(liang)時(shi)發出(chu)的(de)電磁波來進行計時(shi)。由(you)于(yu)這種電磁波非常穩(wen)定(ding)，再利用(yong)一(yi)系列精密的(de)儀器進行控制(zhi)，原子鐘(zhong)的(de)計時(shi)精度可以達到每2000萬年才(cai)誤(wu)差(cha)1秒，從而為(wei)衛(wei)星(xing)導(dao)(dao)(dao)航(hang)提供精確的(de)時(shi)間(jian)測度，也(ye)因此被稱為(wei)導(dao)(dao)(dao)航(hang)衛(wei)星(xing)的(de)“心(xin)臟”。
目(mu)前星載原(yuan)子鐘(zhong)分為(wei)氫原(yuan)子鐘(zhong)、銣(ru)原(yuan)子鐘(zhong)和銫原(yuan)子鐘(zhong)，分別利用(yong)氫、銣(ru)、銫三種元素來制(zhi)造。其中(zhong)，氫原(yuan)子鐘(zhong)穩(wen)定(ding)度(du)指(zhi)標最(zui)優(you)，但研制(zhi)難(nan)度(du)也最(zui)高；銣(ru)原(yuan)子鐘(zhong)具有(you)體積小、重量輕、功耗(hao)低、技術難(nan)度(du)較低、可(ke)靠性高等優(you)勢，為(wei)目(mu)前各(ge)國(guo)導航系(xi)統普遍采用(yong)；銫原(yuan)子鐘(zhong)使用(yong)壽命短，但最(zui)大優(you)勢是具有(you)低漂移特性。
“目前我國已經攻克了銣(ru)原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)、氫原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)的(de)關鍵技術，并已經在北斗導航衛(wei)星(xing)(xing)上使用了這兩種原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)搭(da)配來(lai)測定時(shi)間的(de)方案。”李(li)春景說(shuo)。與(yu)此同時(shi)，203所也已經組建(jian)了星(xing)(xing)載銫(se)原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)團隊，并開(kai)展研制，未來(lai)也有希望(wang)成(cheng)為北斗導航衛(wei)星(xing)(xing)的(de)“心(xin)臟”。
2、當之無愧的高科技工藝精品
任何想要進入203所原子鐘實(shi)(shi)驗(yan)室一(yi)探究竟的(de)人，都(dou)需要用白大褂、口罩、頭套(tao)(tao)、手(shou)套(tao)(tao)、鞋套(tao)(tao)全(quan)副武裝起來，最(zui)終(zhong)全(quan)身上(shang)下只能留雙眼裸露在(zai)外(wai)，而(er)這(zhe)仍然不夠，為(wei)了(le)最(zui)大可能地(di)避免(mian)外(wai)界干擾，進入實(shi)(shi)驗(yan)室還需穿越一(yi)段強風席卷的(de)走廊，拂去身上(shang)的(de)灰塵。在(zai)實(shi)(shi)驗(yan)室里，新風系統日夜滿載工作，溫(wen)度和濕度被(bei)嚴格控制在(zai)一(yi)定范(fan)圍，任何一(yi)臺(tai)供衛星使用的(de)原子鐘在(zai)這(zhe)里都(dou)像初(chu)生的(de)嬰兒一(yi)般(ban)，被(bei)小心呵(he)護(hu)。
除了(le)對生產環(huan)境要求高(gao)，星載(zai)原子鐘(zhong)(zhong)的(de)調試也是個“磨人”的(de)差事(shi)。原子鐘(zhong)(zhong)十分“嬌氣”，任何一個細微參數的(de)變化都(dou)可能影響(xiang)到它進入太空的(de)表現，因此，每到整機調試階段，都(dou)需要有(you)足(zu)夠經驗的(de)設計師(shi)親自“操刀(dao)”。
“例如，進(jin)入太(tai)空后，衛(wei)星軌(gui)道(dao)環境溫(wen)度會產(chan)(chan)生(sheng)波動，而原子(zi)鐘(zhong)可(ke)能受此影響而產(chan)(chan)生(sheng)誤差，從而直接影響導(dao)航系(xi)統定(ding)位精度。”楊(yang)同敏說，他繼李春景(jing)之后，擔任(ren)了星載(zai)銣原子(zi)鐘(zhong)的項目負責人。據楊(yang)同敏介(jie)紹，為了降(jiang)低(di)原子(zi)鐘(zhong)對溫(wen)度變化的敏感度，避(bi)免太(tai)空中產(chan)(chan)生(sheng)誤差，“研(yan)發人員必須了解這一部原子(zi)鐘(zhong)的全部特性(xing)，摸清它的電路和物理系(xi)統有什(shen)么(me)‘脾氣(qi)’，才能知道(dao)怎么(me)綜合(he)調整造出最好的銣原子(zi)鐘(zhong)。”
“原子鐘一旦上(shang)天，加(jia)電運行就直到(dao)它‘壽終(zhong)’，要求必須絕對可靠。”李春景說。在他(ta)眼里，“原子鐘是當之(zhi)無(wu)愧的(de)高(gao)科技(ji)含量的(de)工(gong)藝精品(pin)，需要具有工(gong)匠精神的(de)工(gong)程師(shi)精心打造。”
3、實現全球導航必須先有“中國心”
相比銣原子(zi)鐘(zhong)，于(yu)2018年1月隨北斗三期第三、四顆(ke)星飛入太空的氫原子(zi)鐘(zhong)可(ke)使北斗導航系統(tong)(tong)實現(xian)更高的定位(wei)精(jing)度、全球覆蓋(gai)及較長的自主(zhu)導航能(neng)力，顯著(zhu)降(jiang)低北斗導航系統(tong)(tong)全球應(ying)用時(shi)的校時(shi)壓(ya)力。
但是由于氫(qing)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘結構和原(yuan)(yuan)理(li)更復雜，其(qi)研(yan)發(fa)難度也(ye)(ye)更大。為了(le)讓北(bei)斗導航(hang)(hang)系統獲得(de)與美(mei)國GPS、歐(ou)盟的伽利略、俄羅(luo)斯的三代格洛(luo)納斯這(zhe)三大導航(hang)(hang)系統相媲美(mei)的能力。星載(zai)氫(qing)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘的團隊也(ye)(ye)用了(le)近十年時間，解決了(le)溫控系統的參數優化(hua)，電(dian)磁兼容性的改善等一系列(lie)技術難題，實現了(le)氫(qing)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘指標優化(hua)，整機小(xiao)型化(hua)、輕(qing)量化(hua)技術等研(yan)究，并最終(zhong)應(ying)用于北(bei)斗導航(hang)(hang)衛(wei)星。
無(wu)論是氫(qing)原(yuan)(yuan)子鐘還是銣原(yuan)(yuan)子鐘，星(xing)載(zai)原(yuan)(yuan)子鐘這個瞄準步入世界(jie)前列的重(zhong)點任務(wu)，在立項之(zhi)初(chu)都讓人(ren)“撓頭”——實驗室環境要求高，技術(shu)完全(quan)為國外(wai)壟(long)斷，研制過程毫無(wu)經(jing)驗可借鑒，“雖說早有心理準備，但(dan)還是沒有預(yu)料到攻關居(ju)然會如此艱難，很多難題以前從(cong)未(wei)遇(yu)到。”李(li)春(chun)景說，“但(dan)他同時(shi)也清(qing)醒地認識到：要搞(gao)全(quan)球導航，首要條件就是要有原(yuan)(yuan)子鐘！原(yuan)(yuan)子鐘產品不(bu)能依賴進口，只有自己干一條路可走(zou)！”
理(li)頭緒，做實(shi)(shi)驗(yan)，日夜(ye)兼程的(de)(de)調試，大家就像上(shang)了(le)發條的(de)(de)鐘一(yi)樣(yang)不知疲憊。“為了(le)搞定技術難題，白天黑夜(ye)連軸轉進(jin)行實(shi)(shi)驗(yan)、驗(yan)證(zheng)；環(huan)境試驗(yan)時，團隊成員多(duo)班(ban)倒，進(jin)行日夜(ye)守護和記錄數據。”李(li)春景(jing)(jing)說。長(chang)年累(lei)月大腦高度集中(zhong)(zhong)(zhong)于此，竟真出現了(le)夢中(zhong)(zhong)(zhong)解決難題的(de)(de)神奇經歷，“大家多(duo)少(shao)都遇到過夢到原子(zi)鐘聯調的(de)(de)情(qing)景(jing)(jing)。”中(zhong)(zhong)(zhong)國的(de)(de)北斗導(dao)航衛星所需要的(de)(de)優良“中(zhong)(zhong)(zhong)國心”，就在這樣(yang)攻堅克難中(zhong)(zhong)(zhong)自主研發而成。
如今，203所研制的星(xing)載銣原(yuan)子(zi)鐘(zhong)和氫(qing)原(yuan)子(zi)鐘(zhong)在(zai)技術性能(neng)及可(ke)(ke)靠性上均達到(dao)國(guo)(guo)際先進水平，實現了星(xing)載原(yuan)子(zi)鐘(zhong)關鍵技術自主可(ke)(ke)控，打破了國(guo)(guo)外(wai)壟(long)斷，該(gai)所還為(wei)此在(zai)2017年獲得國(guo)(guo)家(jia)科技進步獎特等獎。仰(yang)望星(xing)空，幾乎(hu)每一(yi)顆北斗(dou)導航衛星(xing)都安裝了203所研制的原(yuan)子(zi)鐘(zhong)，這些“中國(guo)(guo)心(xin)”將使我國(guo)(guo)北斗(dou)自主全球導航系統走入高性能(neng)行列的夢(meng)想變為(wei)實現。
【責任編輯：唐斕】