文章來源：光明(ming)日報(bao) 發布時(shi)間(jian)：2019-02-13
2月12日，我國采取一箭(jian)雙星(xing)方式(shi)，成功發射了(le)北斗三號第五、六顆組網衛星(xing)，這兩(liang)顆衛星(xing)上各裝載(zai)了(le)中國航天(tian)科工集(ji)團二院(yuan)203所研制(zhi)的高精(jing)度(du)銣原子(zi)鐘，作為我國自(zi)主(zhu)研制(zhi)的星(xing)載(zai)原子(zi)鐘，其技術(shu)指(zhi)標達到了(le)國際(ji)先進(jin)水平。
隨著(zhu)北(bei)斗(dou)三號(hao)第(di)5顆(ke)、第(di)6顆(ke)導航(hang)衛星發射成功，李春景與他(ta)的團隊擊掌相(xiang)慶，作(zuo)為(wei)203所原子頻(pin)率標(biao)準研究室副主任，他(ta)曾(ceng)(ceng)負責(ze)北(bei)斗(dou)三號(hao)導航(hang)衛星重大專(zhuan)項高精(jing)度(du)星載(zai)銣原子鐘的研制(zhi)(zhi)，他(ta)帶領的團隊研制(zhi)(zhi)的星載(zai)銣原子鐘被視作(zuo)北(bei)斗(dou)二代導航(hang)衛星研制(zhi)(zhi)難(nan)度(du)最大的產品之(zhi)一，其技術含金量(liang)之(zhi)高，攻(gong)克難(nan)度(du)之(zhi)大，曾(ceng)(ceng)讓北(bei)斗(dou)導航(hang)衛星總設計師謝軍感言(yan)其研制(zhi)(zhi)過(guo)程“可(ke)歌(ge)可(ke)泣(qi)”。那么，原子鐘是什(shen)么樣(yang)的鐘？它跟衛星導航(hang)之(zhi)間又有什(shen)么關系呢(ni)？
1、原子鐘是導航衛星的“心臟”
“星(xing)載(zai)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)鐘作為(wei)導航(hang)(hang)衛(wei)星(xing)的(de)‘心臟(zang)’，決定了導航(hang)(hang)系統的(de)導航(hang)(hang)定位、測速及授時的(de)精度，是一(yi)個國(guo)家能否(fou)具(ju)備獨立發展(zhan)導航(hang)(hang)系統能力(li)的(de)核心技(ji)術之一(yi)。”作為(wei)北斗二代(dai)導航(hang)(hang)衛(wei)星(xing)高精度星(xing)載(zai)銣原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)鐘研發負責人，李(li)春景已經在原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)鐘研制的(de)戰(zhan)線(xian)上奮戰(zhan)了14個年頭(tou)，一(yi)談到星(xing)載(zai)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)鐘，他(ta)的(de)話匣子(zi)就打(da)開了。
據(ju)他(ta)介紹，北斗衛星導(dao)(dao)航(hang)系(xi)(xi)統作為我國正在實施的(de)(de)自主研發(fa)、獨立(li)運行的(de)(de)全球(qiu)(qiu)衛星導(dao)(dao)航(hang)系(xi)(xi)統，其(qi)導(dao)(dao)航(hang)的(de)(de)基本原理為利用(yong)多個衛星與(yu)地(di)球(qiu)(qiu)上某個物體之間的(de)(de)距(ju)離(li)來確定(ding)該(gai)物體的(de)(de)位置。根據(ju)物理學原理，這個距(ju)離(li)可以用(yong)信號(hao)傳播速度與(yu)時(shi)間相乘而得到，而衛星導(dao)(dao)航(hang)所使用(yong)的(de)(de)信號(hao)傳播速度，其(qi)數(shu)值是固定(ding)的(de)(de)，因而時(shi)間測度越(yue)(yue)(yue)精確，距(ju)離(li)計算(suan)越(yue)(yue)(yue)精準，導(dao)(dao)航(hang)的(de)(de)位置定(ding)位就越(yue)(yue)(yue)準確。
因而(er)，從(cong)這(zhe)一角(jiao)度(du)來(lai)說，“衛(wei)星(xing)(xing)(xing)導航的(de)(de)核心就是(shi)時(shi)間測量”。203所另外一款星(xing)(xing)(xing)載原(yuan)子(zi)鐘——氫(qing)原(yuan)子(zi)鐘的(de)(de)主(zhu)管設計(ji)(ji)師王文(wen)明(ming)說，導航衛(wei)星(xing)(xing)(xing)上用(yong)來(lai)計(ji)(ji)算時(shi)間的(de)(de)精密裝置就是(shi)原(yuan)子(zi)鐘，它利(li)用(yong)原(yuan)子(zi)吸收(shou)或釋放能(neng)量時(shi)發出的(de)(de)電(dian)磁(ci)波來(lai)進行(xing)(xing)計(ji)(ji)時(shi)。由于(yu)這(zhe)種電(dian)磁(ci)波非常穩定，再利(li)用(yong)一系(xi)列精密的(de)(de)儀器進行(xing)(xing)控制，原(yuan)子(zi)鐘的(de)(de)計(ji)(ji)時(shi)精度(du)可以達到每2000萬年(nian)才(cai)誤差1秒，從(cong)而(er)為衛(wei)星(xing)(xing)(xing)導航提(ti)供(gong)精確的(de)(de)時(shi)間測度(du)，也因此(ci)被稱為導航衛(wei)星(xing)(xing)(xing)的(de)(de)“心臟”。
目前(qian)(qian)星載原(yuan)子(zi)鐘分為氫原(yuan)子(zi)鐘、銣原(yuan)子(zi)鐘和銫(se)原(yuan)子(zi)鐘，分別(bie)利用氫、銣、銫(se)三種(zhong)元素來制造。其中，氫原(yuan)子(zi)鐘穩定度指標最(zui)優，但(dan)(dan)研制難(nan)度也最(zui)高；銣原(yuan)子(zi)鐘具(ju)有體積小(xiao)、重量(liang)輕、功耗(hao)低(di)、技術難(nan)度較低(di)、可靠性(xing)高等優勢(shi)，為目前(qian)(qian)各國導航系統(tong)普遍(bian)采用；銫(se)原(yuan)子(zi)鐘使用壽(shou)命短(duan)，但(dan)(dan)最(zui)大優勢(shi)是具(ju)有低(di)漂移特性(xing)。
“目前我國已經(jing)攻(gong)克(ke)了(le)(le)銣(ru)原(yuan)子(zi)鐘(zhong)、氫原(yuan)子(zi)鐘(zhong)的關鍵技術，并已經(jing)在北(bei)(bei)斗導航衛星上(shang)使用了(le)(le)這兩種原(yuan)子(zi)鐘(zhong)搭(da)配來測(ce)定(ding)時間的方(fang)案。”李(li)春景說。與此同時，203所(suo)也已經(jing)組建(jian)了(le)(le)星載銫原(yuan)子(zi)鐘(zhong)團隊，并開展(zhan)研制(zhi)，未來也有希(xi)望(wang)成為北(bei)(bei)斗導航衛星的“心(xin)臟(zang)”。
2、當之無愧的高科技工藝精品
任(ren)(ren)何(he)想要(yao)進入203所原子鐘實(shi)(shi)驗室一探究竟的(de)(de)(de)人，都(dou)需要(yao)用(yong)(yong)白大褂、口罩、頭套、手套、鞋(xie)套全副武裝(zhuang)起(qi)來，最(zui)(zui)終全身(shen)上(shang)下只能留雙(shuang)眼裸露在外(wai)，而這(zhe)仍然(ran)不夠(gou)，為了最(zui)(zui)大可能地(di)避免(mian)外(wai)界干擾(rao)，進入實(shi)(shi)驗室還需穿(chuan)越一段強風席卷(juan)的(de)(de)(de)走廊，拂去身(shen)上(shang)的(de)(de)(de)灰塵。在實(shi)(shi)驗室里，新風系統日夜滿載工(gong)作，溫度和濕度被嚴格控制在一定范圍，任(ren)(ren)何(he)一臺供(gong)衛星使用(yong)(yong)的(de)(de)(de)原子鐘在這(zhe)里都(dou)像初(chu)生的(de)(de)(de)嬰兒一般，被小心呵護。
除(chu)了對生產環境要求(qiu)高，星載原子(zi)鐘(zhong)的(de)(de)(de)調(diao)試也是個“磨人(ren)”的(de)(de)(de)差事。原子(zi)鐘(zhong)十分“嬌氣(qi)”，任何(he)一個細微參數的(de)(de)(de)變化都可能影響到(dao)它進(jin)入太空的(de)(de)(de)表(biao)現(xian)，因此，每到(dao)整機調(diao)試階段，都需要有足夠(gou)經驗的(de)(de)(de)設計師親自“操刀(dao)”。
“例如，進(jin)入太空后，衛星軌道環境溫度(du)會產生(sheng)(sheng)波動，而原(yuan)子(zi)鐘可能受(shou)此影(ying)響(xiang)而產生(sheng)(sheng)誤差(cha)，從而直(zhi)接影(ying)響(xiang)導航系統定位精度(du)。”楊同敏(min)說(shuo)，他繼李春景之后，擔任了星載銣原(yuan)子(zi)鐘的(de)項目負(fu)責人(ren)。據楊同敏(min)介紹，為了降低原(yuan)子(zi)鐘對溫度(du)變化的(de)敏(min)感度(du)，避免太空中產生(sheng)(sheng)誤差(cha)，“研發人(ren)員必須了解這一部原(yuan)子(zi)鐘的(de)全部特性，摸清它的(de)電路和物(wu)理系統有什(shen)么‘脾氣(qi)’，才(cai)能知道怎么綜合調整造出最好的(de)銣原(yuan)子(zi)鐘。”
“原(yuan)子鐘一旦上天(tian)，加電(dian)運行就(jiu)直(zhi)到(dao)它‘壽終’，要求(qiu)必須絕(jue)對可(ke)靠。”李春景說。在他眼里，“原(yuan)子鐘是當之無愧(kui)的(de)高科技含量的(de)工(gong)藝(yi)精(jing)品，需要具有工(gong)匠精(jing)神(shen)的(de)工(gong)程師精(jing)心打造(zao)。”
3、實現全球導航必須先有“中國心”
相比銣原子鐘，于2018年1月隨北(bei)斗(dou)三(san)期第三(san)、四顆星飛入太空的氫原子鐘可使北(bei)斗(dou)導航(hang)系統(tong)實現更高的定位精度、全(quan)球(qiu)覆(fu)蓋及較(jiao)長的自主導航(hang)能力，顯著降低北(bei)斗(dou)導航(hang)系統(tong)全(quan)球(qiu)應用時的校(xiao)時壓力。
但是由(you)于氫原(yuan)子鐘(zhong)結構(gou)和原(yuan)理更復雜(za)，其研發難度(du)也更大。為了讓北(bei)斗導航系統獲得與美(mei)國GPS、歐(ou)盟的伽利略、俄羅斯(si)的三代格洛納斯(si)這三大導航系統相媲美(mei)的能(neng)力。星載氫原(yuan)子鐘(zhong)的團隊也用(yong)了近十(shi)年時間(jian)，解決(jue)了溫控(kong)系統的參數優化(hua)，電磁兼容性的改善等(deng)一系列技(ji)術難題，實現(xian)了氫原(yuan)子鐘(zhong)指標優化(hua)，整機小型化(hua)、輕(qing)量(liang)化(hua)技(ji)術等(deng)研究，并(bing)最終應用(yong)于北(bei)斗導航衛星。
無論(lun)是(shi)氫(qing)原(yuan)子(zi)(zi)鐘還(huan)是(shi)銣原(yuan)子(zi)(zi)鐘，星載原(yuan)子(zi)(zi)鐘這個(ge)瞄準(zhun)步入世界前(qian)列的重點(dian)任務，在立(li)項之初都讓(rang)人“撓頭”——實驗室環(huan)境要(yao)求高，技術完全為國外壟斷，研制過程(cheng)毫無經驗可借鑒，“雖說(shuo)早有(you)心理準(zhun)備(bei)，但(dan)還(huan)是(shi)沒有(you)預料到(dao)攻關居然(ran)會如此艱難，很(hen)多難題以前(qian)從未遇到(dao)。”李(li)春(chun)景說(shuo)，“但(dan)他(ta)同時也(ye)清醒地認識到(dao)：要(yao)搞全球導航，首要(yao)條件(jian)就是(shi)要(yao)有(you)原(yuan)子(zi)(zi)鐘！原(yuan)子(zi)(zi)鐘產品不能依賴(lai)進口，只有(you)自己(ji)干一(yi)條路可走！”
理頭緒，做實(shi)驗(yan)，日(ri)夜(ye)兼程的(de)調試(shi)，大(da)(da)家(jia)(jia)就(jiu)像上了(le)發條的(de)鐘一樣不知疲憊。“為了(le)搞定技術難(nan)題，白天(tian)黑夜(ye)連(lian)軸(zhou)轉進(jin)行實(shi)驗(yan)、驗(yan)證；環境試(shi)驗(yan)時，團隊(dui)成(cheng)員多(duo)班倒，進(jin)行日(ri)夜(ye)守護和記錄數(shu)據。”李(li)春景說。長年累(lei)月大(da)(da)腦高(gao)度(du)集中(zhong)于此(ci)，竟真出現(xian)了(le)夢中(zhong)解決難(nan)題的(de)神奇(qi)經歷，“大(da)(da)家(jia)(jia)多(duo)少(shao)都(dou)遇到過夢到原子鐘聯調的(de)情景。”中(zhong)國(guo)的(de)北斗(dou)導航衛(wei)星所需要的(de)優良“中(zhong)國(guo)心”，就(jiu)在這(zhe)樣攻堅克難(nan)中(zhong)自(zi)主研(yan)發而(er)成(cheng)。
如今，203所研制(zhi)的(de)星(xing)(xing)載銣原子(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)和氫(qing)原子(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)在技(ji)術性(xing)(xing)能及可靠性(xing)(xing)上均達到國(guo)際先進水平，實現(xian)了(le)(le)星(xing)(xing)載原子(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)關鍵技(ji)術自主可控，打破了(le)(le)國(guo)外壟斷(duan)，該所還為(wei)此在2017年獲得國(guo)家(jia)科技(ji)進步獎特等(deng)獎。仰望星(xing)(xing)空，幾乎(hu)每(mei)一顆北斗導(dao)航衛星(xing)(xing)都安裝了(le)(le)203所研制(zhi)的(de)原子(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)，這些“中(zhong)國(guo)心(xin)”將使我(wo)國(guo)北斗自主全球導(dao)航系統走入高(gao)性(xing)(xing)能行列的(de)夢想變為(wei)實現(xian)。
【責任編輯：唐斕】