文章(zhang)來源：光明日報 發(fa)布時間(jian)：2019-02-13
2月(yue)12日，我(wo)國(guo)(guo)(guo)采取一(yi)箭雙(shuang)星(xing)方式，成功發射了(le)北斗(dou)三號第(di)五、六顆組網衛星(xing)，這兩顆衛星(xing)上各裝(zhuang)載了(le)中(zhong)國(guo)(guo)(guo)航天科(ke)工集(ji)團二(er)院203所研(yan)制的(de)高精度(du)銣原子(zi)鐘(zhong)，作為(wei)我(wo)國(guo)(guo)(guo)自主研(yan)制的(de)星(xing)載原子(zi)鐘(zhong)，其技術指標達到了(le)國(guo)(guo)(guo)際先進水平。
隨著北斗三號(hao)第5顆、第6顆導航(hang)衛星(xing)(xing)(xing)(xing)發射(she)成功，李(li)春(chun)景與(yu)他(ta)的(de)(de)(de)(de)團隊擊掌相慶，作(zuo)為203所(suo)原子(zi)頻率標準研(yan)(yan)究室副(fu)主任(ren)，他(ta)曾(ceng)負責北斗三號(hao)導航(hang)衛星(xing)(xing)(xing)(xing)重大(da)專項(xiang)高精度(du)星(xing)(xing)(xing)(xing)載銣原子(zi)鐘(zhong)的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)制，他(ta)帶領(ling)的(de)(de)(de)(de)團隊研(yan)(yan)制的(de)(de)(de)(de)星(xing)(xing)(xing)(xing)載銣原子(zi)鐘(zhong)被視作(zuo)北斗二代導航(hang)衛星(xing)(xing)(xing)(xing)研(yan)(yan)制難度(du)最大(da)的(de)(de)(de)(de)產品(pin)之(zhi)一，其技術含金(jin)量(liang)之(zhi)高，攻(gong)克難度(du)之(zhi)大(da)，曾(ceng)讓北斗導航(hang)衛星(xing)(xing)(xing)(xing)總設(she)計師(shi)謝軍感言其研(yan)(yan)制過(guo)程(cheng)“可歌可泣”。那么(me)，原子(zi)鐘(zhong)是什(shen)么(me)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)鐘(zhong)？它跟衛星(xing)(xing)(xing)(xing)導航(hang)之(zhi)間又有(you)什(shen)么(me)關系呢？
1、原子鐘是導航衛星的“心臟”
“星(xing)(xing)載原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)作為(wei)導航衛星(xing)(xing)的‘心臟’，決定(ding)了(le)導航系(xi)統的導航定(ding)位、測(ce)速及授(shou)時的精度(du)(du)，是(shi)一個(ge)國(guo)家能否具備獨(du)立發展導航系(xi)統能力的核心技術之(zhi)一。”作為(wei)北斗二代(dai)導航衛星(xing)(xing)高(gao)精度(du)(du)星(xing)(xing)載銣原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)研(yan)發負責人，李春(chun)景已(yi)經在原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)研(yan)制的戰線上奮戰了(le)14個(ge)年頭，一談到星(xing)(xing)載原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)，他的話匣子(zi)(zi)就打開了(le)。
據(ju)他介紹(shao)，北斗(dou)衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)系(xi)統作為(wei)我國正在實施的(de)自主研發(fa)、獨立運行的(de)全球(qiu)(qiu)衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)系(xi)統，其(qi)導(dao)航(hang)的(de)基本原(yuan)理為(wei)利(li)用多個(ge)(ge)衛(wei)星(xing)與(yu)地球(qiu)(qiu)上某個(ge)(ge)物(wu)(wu)體之間的(de)距(ju)離(li)來(lai)確定(ding)(ding)該物(wu)(wu)體的(de)位(wei)置。根據(ju)物(wu)(wu)理學原(yuan)理，這個(ge)(ge)距(ju)離(li)可以用信號傳(chuan)播速度與(yu)時間相乘而得(de)到，而衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)所使用的(de)信號傳(chuan)播速度，其(qi)數(shu)值是固定(ding)(ding)的(de)，因而時間測度越精確，距(ju)離(li)計算越精準，導(dao)航(hang)的(de)位(wei)置定(ding)(ding)位(wei)就越準確。
因(yin)而，從(cong)這一角度來(lai)說(shuo)，“衛(wei)星(xing)導(dao)航的(de)(de)(de)核心就(jiu)是(shi)時(shi)(shi)間(jian)測量”。203所另(ling)外一款星(xing)載原子(zi)鐘(zhong)——氫原子(zi)鐘(zhong)的(de)(de)(de)主管設計師王(wang)文(wen)明(ming)說(shuo)，導(dao)航衛(wei)星(xing)上用來(lai)計算(suan)時(shi)(shi)間(jian)的(de)(de)(de)精(jing)(jing)(jing)密裝(zhuang)置就(jiu)是(shi)原子(zi)鐘(zhong)，它利用原子(zi)吸收(shou)或釋放能量時(shi)(shi)發出的(de)(de)(de)電磁(ci)波來(lai)進行(xing)計時(shi)(shi)。由于這種電磁(ci)波非常穩定，再利用一系列精(jing)(jing)(jing)密的(de)(de)(de)儀器進行(xing)控制，原子(zi)鐘(zhong)的(de)(de)(de)計時(shi)(shi)精(jing)(jing)(jing)度可以達(da)到每(mei)2000萬(wan)年才(cai)誤(wu)差1秒，從(cong)而為衛(wei)星(xing)導(dao)航提(ti)供精(jing)(jing)(jing)確的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)測度，也因(yin)此被稱為導(dao)航衛(wei)星(xing)的(de)(de)(de)“心臟”。
目前星(xing)載原子(zi)鐘(zhong)分為氫(qing)原子(zi)鐘(zhong)、銣(ru)原子(zi)鐘(zhong)和銫(se)原子(zi)鐘(zhong)，分別利用(yong)氫(qing)、銣(ru)、銫(se)三種元素來制(zhi)造。其中(zhong)，氫(qing)原子(zi)鐘(zhong)穩(wen)定度(du)指(zhi)標(biao)最優(you)(you)，但(dan)研制(zhi)難度(du)也最高；銣(ru)原子(zi)鐘(zhong)具有(you)體(ti)積(ji)小、重量輕、功耗(hao)低、技(ji)術難度(du)較(jiao)低、可靠(kao)性(xing)高等優(you)(you)勢(shi)，為目前各國導航(hang)系統普(pu)遍(bian)采用(yong)；銫(se)原子(zi)鐘(zhong)使用(yong)壽命(ming)短，但(dan)最大優(you)(you)勢(shi)是具有(you)低漂(piao)移特性(xing)。
“目前我國已經(jing)攻克了(le)銣原(yuan)子(zi)鐘、氫原(yuan)子(zi)鐘的(de)關(guan)鍵技(ji)術，并(bing)已經(jing)在北斗導(dao)航衛星上使(shi)用了(le)這(zhe)兩種原(yuan)子(zi)鐘搭配來測定時(shi)(shi)間(jian)的(de)方案。”李春景說。與此同時(shi)(shi)，203所也已經(jing)組建了(le)星載銫原(yuan)子(zi)鐘團隊，并(bing)開(kai)展研制，未來也有希(xi)望成為(wei)北斗導(dao)航衛星的(de)“心臟”。
2、當之無愧的高科技工藝精品
任何想要進入(ru)203所原子(zi)鐘(zhong)實(shi)驗室(shi)一(yi)(yi)探究(jiu)竟(jing)的人，都需要用(yong)白大(da)褂、口罩、頭套(tao)、手(shou)套(tao)、鞋套(tao)全副(fu)武裝起(qi)來(lai)，最終全身上下只(zhi)能留(liu)雙眼裸露在(zai)(zai)外(wai)(wai)，而這仍然不(bu)夠，為了最大(da)可能地避免外(wai)(wai)界干擾，進入(ru)實(shi)驗室(shi)還需穿越一(yi)(yi)段強(qiang)風席卷的走廊，拂(fu)去身上的灰塵(chen)。在(zai)(zai)實(shi)驗室(shi)里，新風系統日夜(ye)滿(man)載工作，溫度(du)和(he)濕(shi)度(du)被嚴格(ge)控制在(zai)(zai)一(yi)(yi)定范圍，任何一(yi)(yi)臺供衛星使用(yong)的原子(zi)鐘(zhong)在(zai)(zai)這里都像初生的嬰兒一(yi)(yi)般，被小心(xin)呵(he)護。
除了對(dui)生(sheng)產(chan)環境要求高(gao)，星(xing)載原子鐘的(de)調(diao)試也是個“磨(mo)人”的(de)差事(shi)。原子鐘十分(fen)“嬌氣”，任何一個細微參數(shu)的(de)變(bian)化(hua)都可能影響到它進入太空的(de)表現(xian)，因此(ci)，每到整(zheng)機(ji)調(diao)試階段(duan)，都需要有(you)足夠經(jing)驗的(de)設計師親自“操刀”。
“例(li)如，進入太空(kong)后，衛星軌道(dao)環境溫度(du)會產(chan)生(sheng)波動，而(er)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘(zhong)可能受此影響而(er)產(chan)生(sheng)誤差(cha)，從而(er)直接影響導航系(xi)統定位精度(du)。”楊(yang)(yang)同敏說，他繼李春景之后，擔任了(le)星載銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘(zhong)的項目負責人。據楊(yang)(yang)同敏介(jie)紹，為了(le)降低原(yuan)(yuan)子(zi)鐘(zhong)對(dui)溫度(du)變化的敏感度(du)，避免太空(kong)中產(chan)生(sheng)誤差(cha)，“研發人員必須了(le)解這一部(bu)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘(zhong)的全部(bu)特(te)性，摸清它(ta)的電路和物理系(xi)統有(you)什么(me)‘脾氣’，才(cai)能知道(dao)怎么(me)綜(zong)合調整造出最好(hao)的銣(ru)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘(zhong)。”
“原(yuan)子鐘一旦上(shang)天，加電運行就直到(dao)它‘壽終’，要求(qiu)必(bi)須(xu)絕對可靠(kao)。”李(li)春景說。在他眼(yan)里，“原(yuan)子鐘是當之無愧的高科技含量的工藝精品，需(xu)要具有工匠精神的工程師精心打造。”
3、實現全球導航必須先有“中國心”
相比銣(ru)原子鐘(zhong)，于2018年1月隨北(bei)斗(dou)(dou)三期(qi)第三、四顆星(xing)飛(fei)入太空的氫原子鐘(zhong)可(ke)使北(bei)斗(dou)(dou)導航系統實現更高(gao)的定位精(jing)度(du)、全球(qiu)覆蓋及較長的自主導航能力，顯著降低北(bei)斗(dou)(dou)導航系統全球(qiu)應用時(shi)的校時(shi)壓力。
但(dan)是由于氫原(yuan)子鐘結構和(he)原(yuan)理更復雜，其研發難度也更大(da)。為了(le)讓(rang)北(bei)斗導(dao)(dao)航(hang)系統獲得(de)與美國GPS、歐盟的(de)(de)伽利(li)略(lve)、俄(e)羅斯(si)的(de)(de)三(san)代格洛納斯(si)這三(san)大(da)導(dao)(dao)航(hang)系統相媲美的(de)(de)能力。星(xing)載氫原(yuan)子鐘的(de)(de)團隊(dui)也用了(le)近十年時間，解決了(le)溫(wen)控系統的(de)(de)參數優(you)化，電磁兼容性(xing)的(de)(de)改善等一(yi)系列技術難題，實(shi)現了(le)氫原(yuan)子鐘指(zhi)標優(you)化，整機小型化、輕量(liang)化技術等研究，并最終應(ying)用于北(bei)斗導(dao)(dao)航(hang)衛(wei)星(xing)。
無論是(shi)氫原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)還是(shi)銣原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)，星載原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)這個瞄準步入世界(jie)前列的(de)重點任務，在立項之初都(dou)讓人“撓頭”——實(shi)驗(yan)室(shi)環境要求高，技術完全為國(guo)外壟斷，研制過程毫(hao)無經驗(yan)可借鑒(jian)，“雖說早有心(xin)理準備，但(dan)還是(shi)沒有預(yu)料到攻關居(ju)然會如(ru)此艱難(nan)，很(hen)多難(nan)題以前從未(wei)遇到。”李春(chun)景(jing)說，“但(dan)他同時(shi)也清醒地認識到：要搞全球(qiu)導航，首要條件(jian)就(jiu)是(shi)要有原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)！原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)產品不能依賴進口，只有自己(ji)干一條路可走(zou)！”
理頭(tou)緒，做(zuo)實驗(yan)，日夜兼程的(de)(de)調(diao)(diao)試，大(da)家就(jiu)像(xiang)上了(le)發條的(de)(de)鐘一(yi)樣(yang)不知疲(pi)憊。“為了(le)搞定技術難題，白天黑(hei)夜連軸轉進行實驗(yan)、驗(yan)證；環境(jing)試驗(yan)時，團隊成(cheng)員(yuan)多班倒，進行日夜守護和記錄數據。”李春景(jing)說。長年累月大(da)腦高度集中(zhong)于此，竟(jing)真出現了(le)夢中(zhong)解決難題的(de)(de)神奇經歷，“大(da)家多少都遇到(dao)過夢到(dao)原子鐘聯調(diao)(diao)的(de)(de)情景(jing)。”中(zhong)國(guo)的(de)(de)北斗導航衛星所需要的(de)(de)優良(liang)“中(zhong)國(guo)心(xin)”，就(jiu)在這(zhe)樣(yang)攻堅克(ke)難中(zhong)自(zi)主(zhu)研發而成(cheng)。
如今，203所研(yan)(yan)制的星(xing)載銣原子(zi)鐘(zhong)(zhong)和氫原子(zi)鐘(zhong)(zhong)在技(ji)(ji)術(shu)性能(neng)及可(ke)靠(kao)性上均達到國(guo)際先進水平(ping)，實現(xian)了星(xing)載原子(zi)鐘(zhong)(zhong)關鍵技(ji)(ji)術(shu)自主可(ke)控，打破了國(guo)外(wai)壟斷，該(gai)所還為(wei)(wei)此在2017年獲得國(guo)家科技(ji)(ji)進步獎特等獎。仰望星(xing)空，幾乎每一顆北(bei)斗導航(hang)衛星(xing)都安裝了203所研(yan)(yan)制的原子(zi)鐘(zhong)(zhong)，這些(xie)“中國(guo)心”將使我國(guo)北(bei)斗自主全球(qiu)導航(hang)系(xi)統走入高性能(neng)行列的夢想變為(wei)(wei)實現(xian)。
【責任編輯：唐斕】