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2月(yue)12日，我(wo)國(guo)采取一箭(jian)雙星(xing)(xing)方(fang)式，成功(gong)發射了(le)北斗三號第五、六顆組網衛星(xing)(xing)，這兩顆衛星(xing)(xing)上各裝載(zai)了(le)中(zhong)國(guo)航天科工(gong)集團二院203所研制的(de)(de)高精度銣原(yuan)(yuan)子鐘，作(zuo)為我(wo)國(guo)自(zi)主(zhu)研制的(de)(de)星(xing)(xing)載(zai)原(yuan)(yuan)子鐘，其技術指標達到(dao)了(le)國(guo)際先(xian)進水平。

隨著北(bei)斗(dou)三號(hao)第(di)5顆(ke)、第(di)6顆(ke)導航衛(wei)(wei)(wei)星(xing)發射成(cheng)功(gong)，李春景與他的(de)(de)團隊(dui)擊掌相(xiang)慶，作為203所原(yuan)子(zi)頻率標準研(yan)(yan)究室副主任(ren)，他曾負責北(bei)斗(dou)三號(hao)導航衛(wei)(wei)(wei)星(xing)重(zhong)大(da)專項高(gao)精度(du)星(xing)載(zai)銣原(yuan)子(zi)鐘的(de)(de)研(yan)(yan)制，他帶(dai)領的(de)(de)團隊(dui)研(yan)(yan)制的(de)(de)星(xing)載(zai)銣原(yuan)子(zi)鐘被視作北(bei)斗(dou)二代(dai)導航衛(wei)(wei)(wei)星(xing)研(yan)(yan)制難(nan)度(du)最大(da)的(de)(de)產品之一，其技(ji)術含金量(liang)之高(gao)，攻克難(nan)度(du)之大(da)，曾讓北(bei)斗(dou)導航衛(wei)(wei)(wei)星(xing)總設計師謝軍感(gan)言其研(yan)(yan)制過程“可歌可泣”。那(nei)么(me)，原(yuan)子(zi)鐘是(shi)什么(me)樣的(de)(de)鐘？它跟衛(wei)(wei)(wei)星(xing)導航之間又有什么(me)關系呢？

1、原子鐘是導航衛星的“心臟”

“星載(zai)原子鐘作為(wei)導(dao)(dao)航衛星的(de)‘心臟(zang)’，決定了導(dao)(dao)航系統(tong)的(de)導(dao)(dao)航定位、測速及(ji)授時的(de)精度(du)，是一(yi)個國家能否具備獨立發(fa)展導(dao)(dao)航系統(tong)能力的(de)核心技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)。”作為(wei)北(bei)斗二代導(dao)(dao)航衛星高精度(du)星載(zai)銣原子鐘研發(fa)負責(ze)人，李春景已經在原子鐘研制的(de)戰(zhan)線上奮戰(zhan)了14個年頭，一(yi)談到星載(zai)原子鐘，他的(de)話匣子就打開了。

據他介紹(shao)，北斗衛(wei)(wei)星導(dao)航系統(tong)作為(wei)我國正(zheng)在實施的(de)(de)自主研(yan)發、獨立運行的(de)(de)全球衛(wei)(wei)星導(dao)航系統(tong)，其導(dao)航的(de)(de)基(ji)本原(yuan)理為(wei)利用多(duo)個衛(wei)(wei)星與(yu)地球上某個物(wu)體之間的(de)(de)距(ju)離來確定(ding)該物(wu)體的(de)(de)位(wei)置(zhi)。根據物(wu)理學原(yuan)理，這個距(ju)離可以用信(xin)號傳播速(su)度(du)與(yu)時間相乘而(er)(er)得(de)到(dao)，而(er)(er)衛(wei)(wei)星導(dao)航所使用的(de)(de)信(xin)號傳播速(su)度(du)，其數值(zhi)是(shi)固定(ding)的(de)(de)，因而(er)(er)時間測度(du)越精確，距(ju)離計(ji)算(suan)越精準(zhun)(zhun)，導(dao)航的(de)(de)位(wei)置(zhi)定(ding)位(wei)就越準(zhun)(zhun)確。

因而(er)，從這一(yi)角(jiao)度(du)來說，“衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)的(de)核心就是(shi)時(shi)間(jian)測量”。203所另外一(yi)款(kuan)星(xing)載(zai)原子鐘——氫原子鐘的(de)主管設(she)計(ji)師王文(wen)明(ming)說，導(dao)航(hang)衛(wei)星(xing)上用來計(ji)算時(shi)間(jian)的(de)精(jing)密(mi)裝(zhuang)置就是(shi)原子鐘，它利(li)用原子吸收或釋(shi)放能量時(shi)發出的(de)電(dian)磁波來進(jin)行計(ji)時(shi)。由于這種電(dian)磁波非常穩定，再利(li)用一(yi)系列(lie)精(jing)密(mi)的(de)儀器(qi)進(jin)行控制，原子鐘的(de)計(ji)時(shi)精(jing)度(du)可以達(da)到每2000萬年(nian)才(cai)誤(wu)差(cha)1秒，從而(er)為(wei)衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)提供精(jing)確的(de)時(shi)間(jian)測度(du)，也因此被稱(cheng)為(wei)導(dao)航(hang)衛(wei)星(xing)的(de)“心臟”。

目(mu)(mu)前(qian)星(xing)載原(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)分為氫原(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)、銣原(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)和銫原(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)，分別利用氫、銣、銫三種(zhong)元(yuan)素來制造。其中，氫原(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)穩(wen)定度指標最優，但(dan)研制難度也最高(gao)；銣原(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)具(ju)有體(ti)積(ji)小、重量(liang)輕、功耗低、技術難度較(jiao)低、可靠性高(gao)等優勢(shi)(shi)，為目(mu)(mu)前(qian)各國導航系統普遍采(cai)用；銫原(yuan)子(zi)(zi)(zi)鐘(zhong)(zhong)使(shi)用壽命(ming)短，但(dan)最大(da)優勢(shi)(shi)是(shi)具(ju)有低漂(piao)移(yi)特(te)性。

“目前我(wo)國已經(jing)(jing)攻克了(le)銣原(yuan)子(zi)鐘、氫原(yuan)子(zi)鐘的(de)關鍵技術，并已經(jing)(jing)在(zai)北(bei)斗導航(hang)衛(wei)星上使(shi)用了(le)這兩種原(yuan)子(zi)鐘搭(da)配來測定時間的(de)方案。”李春(chun)景說。與此同時，203所也(ye)已經(jing)(jing)組建了(le)星載銫(se)原(yuan)子(zi)鐘團隊，并開展研(yan)制，未來也(ye)有希望成為北(bei)斗導航(hang)衛(wei)星的(de)“心(xin)臟(zang)”。

2、當之無愧的高科技工藝精品

任(ren)何想要(yao)進入(ru)203所原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)實(shi)驗室(shi)一探究(jiu)竟的人，都(dou)需要(yao)用白大(da)褂(gua)、口罩、頭套、手套、鞋套全副(fu)武裝起來，最終(zhong)全身上下只(zhi)能留雙眼裸露在外，而這仍然不夠(gou)，為(wei)了最大(da)可能地避免(mian)外界干(gan)擾(rao)，進入(ru)實(shi)驗室(shi)還需穿越一段強(qiang)風席卷(juan)的走廊，拂去身上的灰塵(chen)。在實(shi)驗室(shi)里(li)，新風系統日夜滿載工(gong)作，溫度和濕度被嚴格控(kong)制在一定范圍，任(ren)何一臺供(gong)衛星(xing)使用的原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)在這里(li)都(dou)像初(chu)生的嬰兒(er)一般，被小心呵(he)護。

除了對(dui)生產環境要求(qiu)高，星載(zai)原子鐘的(de)調(diao)試也是(shi)個“磨人”的(de)差事。原子鐘十分“嬌氣”，任何一個細微參數的(de)變化都可能影響到(dao)它進入(ru)太空(kong)的(de)表現，因此，每(mei)到(dao)整機調(diao)試階段，都需(xu)要有(you)足夠經驗的(de)設計師(shi)親自“操刀”。

“例如，進入太空(kong)后(hou)，衛星(xing)軌道環(huan)境溫度(du)會(hui)產(chan)(chan)生波動，而原子鐘可(ke)能(neng)受此(ci)影響(xiang)而產(chan)(chan)生誤差(cha)，從而直接影響(xiang)導航系統(tong)定位精度(du)。”楊(yang)同敏(min)說，他繼李春景之后(hou)，擔(dan)任了(le)(le)星(xing)載(zai)銣原子鐘的項目負責人。據(ju)楊(yang)同敏(min)介紹，為了(le)(le)降低原子鐘對溫度(du)變化(hua)的敏(min)感(gan)度(du)，避(bi)免太空(kong)中(zhong)產(chan)(chan)生誤差(cha)，“研發(fa)人員必須(xu)了(le)(le)解這一部原子鐘的全部特(te)性，摸(mo)清它(ta)的電路(lu)和物理系統(tong)有(you)什么(me)‘脾氣’，才能(neng)知道怎么(me)綜合調整造出最好的銣原子鐘。”

“原子鐘一旦上天，加電運行就(jiu)直到它‘壽終’，要(yao)求必須絕對可(ke)靠(kao)。”李春景說。在(zai)他眼里(li)，“原子鐘是(shi)當之無(wu)愧的(de)高科技(ji)含(han)量的(de)工藝精品(pin)，需要(yao)具(ju)有工匠精神的(de)工程師精心打造。”

3、實現全球導航必須先有“中國心”

相比(bi)銣原子(zi)鐘，于2018年1月隨北(bei)斗三(san)期第三(san)、四顆星飛入太空的氫原子(zi)鐘可使北(bei)斗導(dao)航系(xi)統實現更(geng)高的定位精(jing)度、全球覆(fu)蓋(gai)及較長的自主導(dao)航能力(li)，顯(xian)著(zhu)降低北(bei)斗導(dao)航系(xi)統全球應用時的校時壓力(li)。

但是由(you)于氫(qing)原子鐘結(jie)構和原理(li)更復(fu)雜，其(qi)研(yan)發難度也更大(da)。為了(le)(le)讓北(bei)斗導航系(xi)統獲得與美(mei)國GPS、歐盟的伽利略、俄羅斯(si)的三代格洛(luo)納斯(si)這三大(da)導航系(xi)統相媲美(mei)的能力。星載氫(qing)原子鐘的團隊也用了(le)(le)近十年時(shi)間，解決了(le)(le)溫控系(xi)統的參(can)數(shu)優(you)化(hua)(hua)，電(dian)磁兼(jian)容性的改善等一系(xi)列技術難題，實現了(le)(le)氫(qing)原子鐘指標優(you)化(hua)(hua)，整機(ji)小型化(hua)(hua)、輕(qing)量化(hua)(hua)技術等研(yan)究，并(bing)最終應用于北(bei)斗導航衛星。

無論是氫(qing)原子(zi)鐘還是銣原子(zi)鐘，星載原子(zi)鐘這個瞄準步入世界(jie)前列(lie)的(de)重點任務，在(zai)立項之初都讓人“撓頭”——實(shi)驗室環境要(yao)(yao)求(qiu)高(gao)，技術(shu)完全為國外壟斷(duan)，研制過程毫無經(jing)驗可(ke)(ke)借鑒(jian)，“雖說早有(you)心理準備，但(dan)還是沒有(you)預料到(dao)(dao)攻關居然會如(ru)此艱難，很多難題以(yi)前從未遇到(dao)(dao)。”李(li)春景說，“但(dan)他同時也清醒地認(ren)識(shi)到(dao)(dao)：要(yao)(yao)搞全球導航，首(shou)要(yao)(yao)條件就(jiu)是要(yao)(yao)有(you)原子(zi)鐘！原子(zi)鐘產品(pin)不(bu)能依賴進(jin)口，只有(you)自己干一(yi)條路可(ke)(ke)走！”

理頭緒，做實(shi)(shi)驗，日夜(ye)兼程(cheng)的(de)(de)調試，大家就像上了(le)發條(tiao)的(de)(de)鐘(zhong)一樣(yang)不知疲憊(bei)。“為了(le)搞定技術難(nan)題，白(bai)天(tian)黑夜(ye)連(lian)軸轉(zhuan)進(jin)行實(shi)(shi)驗、驗證；環境試驗時(shi)，團(tuan)隊成(cheng)員多(duo)班(ban)倒，進(jin)行日夜(ye)守護和(he)記錄數據。”李春(chun)景說(shuo)。長(chang)年累月大腦(nao)高(gao)度集中(zhong)(zhong)于此，竟真(zhen)出現了(le)夢(meng)中(zhong)(zhong)解(jie)決難(nan)題的(de)(de)神奇經(jing)歷，“大家多(duo)少(shao)都遇(yu)到(dao)過夢(meng)到(dao)原子鐘(zhong)聯調的(de)(de)情景。”中(zhong)(zhong)國(guo)的(de)(de)北斗導(dao)航(hang)衛星所需要(yao)的(de)(de)優(you)良“中(zhong)(zhong)國(guo)心”，就在這樣(yang)攻堅克難(nan)中(zhong)(zhong)自主(zhu)研發而成(cheng)。

如今，203所(suo)研(yan)(yan)制(zhi)的星(xing)(xing)載(zai)銣原(yuan)子鐘(zhong)和氫原(yuan)子鐘(zhong)在(zai)技(ji)術性能及可(ke)靠性上均達到國際先進水平，實(shi)現(xian)了星(xing)(xing)載(zai)原(yuan)子鐘(zhong)關鍵技(ji)術自(zi)主可(ke)控，打破了國外壟斷，該所(suo)還為此在(zai)2017年(nian)獲得國家(jia)科技(ji)進步(bu)獎特等獎。仰望星(xing)(xing)空，幾乎每一顆北斗(dou)導(dao)航衛星(xing)(xing)都安(an)裝了203所(suo)研(yan)(yan)制(zhi)的原(yuan)子鐘(zhong)，這些“中國心”將(jiang)使我(wo)國北斗(dou)自(zi)主全球導(dao)航系統走入高性能行列(lie)的夢(meng)想變為實(shi)現(xian)。

【責任編輯：唐斕】