文章來(lai)源：光明日報 發布時間：2019-02-13
2月12日，我國采取一箭雙星方式(shi)，成功發射了北斗三號(hao)第五(wu)、六顆組網(wang)衛星，這兩顆衛星上各裝載(zai)(zai)了中國航(hang)天科工集(ji)團二院(yuan)203所研(yan)(yan)制(zhi)的(de)高精度銣原(yuan)子(zi)鐘，作為我國自主(zhu)研(yan)(yan)制(zhi)的(de)星載(zai)(zai)原(yuan)子(zi)鐘，其技術指標達到了國際(ji)先進水平。
隨(sui)著北(bei)(bei)斗三號第5顆、第6顆導(dao)航(hang)衛(wei)星發射成功，李春(chun)景與他(ta)(ta)的(de)團隊擊掌相慶，作(zuo)為203所原(yuan)子頻率(lv)標準(zhun)研(yan)究室副主任，他(ta)(ta)曾負責北(bei)(bei)斗三號導(dao)航(hang)衛(wei)星重大專(zhuan)項(xiang)高精度星載銣(ru)原(yuan)子鐘的(de)研(yan)制(zhi)，他(ta)(ta)帶領的(de)團隊研(yan)制(zhi)的(de)星載銣(ru)原(yuan)子鐘被視(shi)作(zuo)北(bei)(bei)斗二代導(dao)航(hang)衛(wei)星研(yan)制(zhi)難度最大的(de)產品(pin)之一，其(qi)技術含金量之高，攻克難度之大，曾讓北(bei)(bei)斗導(dao)航(hang)衛(wei)星總設計師(shi)謝軍感言其(qi)研(yan)制(zhi)過程“可歌可泣”。那(nei)么(me)(me)，原(yuan)子鐘是什么(me)(me)樣的(de)鐘？它(ta)跟衛(wei)星導(dao)航(hang)之間又有什么(me)(me)關系(xi)呢？
1、原子鐘是導航衛星的“心臟”
“星(xing)(xing)載原(yuan)子(zi)鐘作為(wei)導(dao)航(hang)衛星(xing)(xing)的(de)(de)‘心臟’，決(jue)定(ding)了導(dao)航(hang)系統的(de)(de)導(dao)航(hang)定(ding)位、測速及授時的(de)(de)精度(du)(du)，是一(yi)個(ge)國家(jia)能(neng)否具備獨立發展導(dao)航(hang)系統能(neng)力的(de)(de)核心技術之一(yi)。”作為(wei)北斗二代導(dao)航(hang)衛星(xing)(xing)高(gao)精度(du)(du)星(xing)(xing)載銣(ru)原(yuan)子(zi)鐘研發負責人(ren)，李春(chun)景已經在原(yuan)子(zi)鐘研制的(de)(de)戰線(xian)上奮戰了14個(ge)年頭，一(yi)談到星(xing)(xing)載原(yuan)子(zi)鐘，他的(de)(de)話匣子(zi)就打開了。
據(ju)他介紹，北斗衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)系統作為我國正在實施的(de)自主研(yan)發(fa)、獨立運行的(de)全球衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)系統，其導(dao)航(hang)的(de)基本(ben)原(yuan)理(li)為利用(yong)多個(ge)(ge)衛(wei)星(xing)與(yu)地球上某個(ge)(ge)物(wu)體(ti)之間(jian)的(de)距(ju)(ju)離(li)(li)來確定(ding)該物(wu)體(ti)的(de)位置。根據(ju)物(wu)理(li)學原(yuan)理(li)，這個(ge)(ge)距(ju)(ju)離(li)(li)可以用(yong)信(xin)號傳播(bo)速度與(yu)時間(jian)相乘(cheng)而(er)得到，而(er)衛(wei)星(xing)導(dao)航(hang)所使用(yong)的(de)信(xin)號傳播(bo)速度，其數值是固(gu)定(ding)的(de)，因而(er)時間(jian)測(ce)度越(yue)精確，距(ju)(ju)離(li)(li)計算(suan)越(yue)精準(zhun)，導(dao)航(hang)的(de)位置定(ding)位就(jiu)越(yue)準(zhun)確。
因而(er)，從(cong)這一角度(du)來(lai)說(shuo)，“衛(wei)(wei)星(xing)導航的(de)核心就(jiu)是時間(jian)測量”。203所另外一款星(xing)載原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘——氫原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘的(de)主管設計(ji)師王文(wen)明說(shuo)，導航衛(wei)(wei)星(xing)上用來(lai)計(ji)算時間(jian)的(de)精(jing)密(mi)裝置就(jiu)是原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘，它利用原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)吸收或釋放(fang)能量時發(fa)出的(de)電磁(ci)(ci)波來(lai)進行(xing)計(ji)時。由(you)于這種電磁(ci)(ci)波非(fei)常穩定，再利用一系列(lie)精(jing)密(mi)的(de)儀器進行(xing)控制，原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘的(de)計(ji)時精(jing)度(du)可以(yi)達(da)到(dao)每2000萬年才誤差1秒，從(cong)而(er)為衛(wei)(wei)星(xing)導航提供精(jing)確的(de)時間(jian)測度(du)，也因此被稱為導航衛(wei)(wei)星(xing)的(de)“心臟”。
目(mu)前(qian)(qian)星載原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)分為(wei)氫(qing)(qing)原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)、銣原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)和銫原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)，分別利用氫(qing)(qing)、銣、銫三種(zhong)元素來制(zhi)造(zao)。其中，氫(qing)(qing)原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)穩定度指標最(zui)優，但(dan)研制(zhi)難度也最(zui)高(gao)；銣原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)具有體積小(xiao)、重(zhong)量輕、功(gong)耗(hao)低(di)、技(ji)術(shu)難度較低(di)、可靠性高(gao)等優勢，為(wei)目(mu)前(qian)(qian)各國導航系統普遍采(cai)用；銫原(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)使用壽(shou)命(ming)短，但(dan)最(zui)大(da)優勢是(shi)具有低(di)漂移特性。
“目前(qian)我國已(yi)經(jing)攻克了銣原(yuan)子(zi)鐘(zhong)(zhong)、氫原(yuan)子(zi)鐘(zhong)(zhong)的(de)(de)關鍵技(ji)術，并(bing)已(yi)經(jing)在北(bei)斗導航(hang)衛星(xing)上使用了這兩種原(yuan)子(zi)鐘(zhong)(zhong)搭(da)配(pei)來測定時(shi)間(jian)的(de)(de)方案(an)。”李春景說。與此同(tong)時(shi)，203所也已(yi)經(jing)組建了星(xing)載銫(se)原(yuan)子(zi)鐘(zhong)(zhong)團隊，并(bing)開展(zhan)研制，未來也有希望成為北(bei)斗導航(hang)衛星(xing)的(de)(de)“心臟”。
2、當之無愧的高科技工藝精品
任(ren)何(he)想(xiang)要進(jin)入203所原子(zi)鐘(zhong)實驗室一(yi)探究(jiu)竟的人，都需(xu)要用白大褂、口(kou)罩、頭套、手套、鞋套全副武裝起來，最終全身(shen)上(shang)下只能留雙(shuang)眼裸露在(zai)外，而(er)這仍(reng)然不(bu)夠，為了(le)最大可能地避免外界干(gan)擾(rao)，進(jin)入實驗室還需(xu)穿越(yue)一(yi)段強風(feng)席卷的走廊，拂(fu)去身(shen)上(shang)的灰塵。在(zai)實驗室里，新風(feng)系統(tong)日夜(ye)滿載(zai)工作，溫(wen)度(du)和濕度(du)被嚴(yan)格(ge)控制在(zai)一(yi)定范圍，任(ren)何(he)一(yi)臺供衛星使用的原子(zi)鐘(zhong)在(zai)這里都像初生的嬰兒一(yi)般，被小心呵(he)護。
除了對生(sheng)產環(huan)境要求(qiu)高(gao)，星載原子(zi)鐘的(de)調試也(ye)是個“磨人”的(de)差事。原子(zi)鐘十分“嬌(jiao)氣”，任何一個細微參數的(de)變化都(dou)可能影(ying)響到它進(jin)入太空(kong)的(de)表現，因(yin)此(ci)，每到整機(ji)調試階段，都(dou)需(xu)要有足夠經驗的(de)設計師親自“操刀(dao)”。
“例(li)如，進入太空(kong)后，衛星(xing)軌(gui)道環(huan)境溫度(du)會產生(sheng)(sheng)波(bo)動，而原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)可能受(shou)此影(ying)響而產生(sheng)(sheng)誤差(cha)，從而直接(jie)影(ying)響導航系(xi)統(tong)(tong)定位精(jing)度(du)。”楊同敏說，他繼李春(chun)景之后，擔任了(le)星(xing)載銣原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)的(de)項目負(fu)責人。據楊同敏介紹，為了(le)降低原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)對(dui)溫度(du)變化的(de)敏感度(du)，避(bi)免(mian)太空(kong)中產生(sheng)(sheng)誤差(cha)，“研發人員必須了(le)解這一部(bu)原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)的(de)全部(bu)特性，摸清(qing)它的(de)電路和物理(li)系(xi)統(tong)(tong)有什么‘脾氣’，才能知道怎么綜合調整(zheng)造(zao)出最好的(de)銣原(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘(zhong)。”
“原子鐘一旦上(shang)天，加電(dian)運行就(jiu)直到它‘壽終’，要求(qiu)必(bi)須絕對(dui)可靠。”李春(chun)景說。在他眼(yan)里(li)，“原子鐘是當之無愧的(de)高科技含(han)量的(de)工藝(yi)精品，需要具有(you)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”
相比銣原(yuan)子鐘，于2018年1月隨北(bei)斗(dou)三期(qi)第(di)三、四顆星飛入(ru)太空的氫原(yuan)子鐘可使北(bei)斗(dou)導航(hang)(hang)系(xi)統(tong)實現更高的定位精(jing)度、全(quan)球覆(fu)蓋及(ji)較長的自(zi)主導航(hang)(hang)能力，顯(xian)著降低(di)北(bei)斗(dou)導航(hang)(hang)系(xi)統(tong)全(quan)球應用(yong)時(shi)(shi)的校時(shi)(shi)壓力。
但是由(you)于氫(qing)原(yuan)子鐘(zhong)(zhong)結構和原(yuan)理(li)更復(fu)雜(za)，其(qi)研發難度也更大(da)。為了(le)讓(rang)北(bei)斗(dou)導航(hang)(hang)系(xi)統(tong)(tong)獲得(de)與美國GPS、歐盟的伽利略、俄(e)羅斯的三代(dai)格洛納斯這三大(da)導航(hang)(hang)系(xi)統(tong)(tong)相媲美的能力。星載氫(qing)原(yuan)子鐘(zhong)(zhong)的團隊也用了(le)近十年時間，解決了(le)溫控系(xi)統(tong)(tong)的參數優化(hua)(hua)，電(dian)磁兼(jian)容性的改(gai)善(shan)等一(yi)系(xi)列(lie)技術難題，實現(xian)了(le)氫(qing)原(yuan)子鐘(zhong)(zhong)指標優化(hua)(hua)，整機小(xiao)型化(hua)(hua)、輕量化(hua)(hua)技術等研究，并最(zui)終(zhong)應(ying)用于北(bei)斗(dou)導航(hang)(hang)衛星。
無論是(shi)氫原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)還是(shi)銣原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)，星載原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)這個瞄準(zhun)(zhun)步入世界(jie)前列(lie)的重點(dian)任務，在(zai)立項之初都讓人“撓(nao)頭”——實(shi)驗室環境要求高，技(ji)術完全為國(guo)外壟斷，研制過程毫無經驗可(ke)借(jie)鑒，“雖說早有(you)心理準(zhun)(zhun)備，但還是(shi)沒有(you)預料(liao)到攻(gong)關居然(ran)會如此艱難(nan)，很多難(nan)題以前從未遇(yu)到。”李(li)春景說，“但他同時也清醒地(di)認(ren)識到：要搞全球導航(hang)，首要條件就是(shi)要有(you)原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)！原(yuan)(yuan)子鐘(zhong)產(chan)品不能依(yi)賴(lai)進口，只有(you)自己干一(yi)條路可(ke)走！”
理頭緒，做實驗，日(ri)夜兼(jian)程的調(diao)試(shi)，大家(jia)就像上(shang)了發條的鐘(zhong)(zhong)一樣(yang)(yang)不(bu)知(zhi)疲(pi)憊。“為了搞定技術(shu)難(nan)題，白天(tian)黑(hei)夜連軸轉(zhuan)進行實驗、驗證；環境試(shi)驗時，團隊成員多班倒，進行日(ri)夜守護和記錄數據。”李春(chun)景說。長(chang)年累月大腦高度集中于(yu)此，竟真出現了夢中解決(jue)難(nan)題的神(shen)奇經歷，“大家(jia)多少(shao)都(dou)遇到過(guo)夢到原子鐘(zhong)(zhong)聯(lian)調(diao)的情景。”中國(guo)的北斗導航衛星所需要的優良“中國(guo)心”，就在這樣(yang)(yang)攻堅(jian)克難(nan)中自主研(yan)發而成。
如(ru)今，203所(suo)研(yan)(yan)制的星(xing)載銣(ru)原子(zi)鐘(zhong)(zhong)和氫原子(zi)鐘(zhong)(zhong)在技術性能及可(ke)靠(kao)性上均(jun)達(da)到國際(ji)先進水(shui)平，實現了星(xing)載原子(zi)鐘(zhong)(zhong)關鍵(jian)技術自主(zhu)可(ke)控，打破了國外壟斷(duan)，該(gai)所(suo)還(huan)為此在2017年獲得國家科(ke)技進步獎(jiang)特等獎(jiang)。仰望(wang)星(xing)空(kong)，幾乎(hu)每一顆北(bei)(bei)斗導航衛星(xing)都安裝了203所(suo)研(yan)(yan)制的原子(zi)鐘(zhong)(zhong)，這些“中國心”將使(shi)我國北(bei)(bei)斗自主(zhu)全球(qiu)導航系統走入高性能行列的夢想變為實現。
【責任編輯：唐斕】