揭秘北斗衛(wèi)星的“中國心”

 “星載原子鐘作為導(dǎo)航衛(wèi)星的‘心臟’，決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航定位、測速及授時的精度，是一個國家能否具備獨(dú)立發(fā)展導(dǎo)航系統(tǒng)能力的核心技術(shù)之一。”作為北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星高精度星載銣原子鐘研發(fā)負(fù)責(zé)人，李春景已經(jīng)在原子鐘研制的戰(zhàn)線上奮戰(zhàn)了14個年頭，一談到星載原子鐘，他的話匣子就打開了。

據(jù)他介紹，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為我國正在實(shí)施的自主研發(fā)、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其導(dǎo)航的基本原理為利用多個衛(wèi)星與地球上某個物體之間的距離來確定該物體的位置。根據(jù)物理學(xué)原理，這個距離可以用信號傳播速度與時間相乘而得到，而衛(wèi)星導(dǎo)航所使用的信號傳播速度，其數(shù)值是固定的，因而時間測度越精確，距離計(jì)算越精準(zhǔn)，導(dǎo)航的位置定位就越準(zhǔn)確。

因而，從這一角度來說，“衛(wèi)星導(dǎo)航的核心就是時間測量”。203所另外一款星載原子鐘——?dú)湓隅姷闹鞴茉O(shè)計(jì)師王文明說，導(dǎo)航衛(wèi)星上用來計(jì)算時間的精密裝置就是原子鐘，它利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來進(jìn)行計(jì)時。由于這種電磁波非常穩(wěn)定，再利用一系列精密的儀器進(jìn)行控制，原子鐘的計(jì)時精度可以達(dá)到每2000萬年才誤差1秒，從而為衛(wèi)星導(dǎo)航提供精確的時間測度，也因此被稱為導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。

       

目前星載原子鐘分為氫原子鐘、銣原子鐘和銫原子鐘，分別利用氫、銣、銫三種元素來制造。其中，氫原子鐘穩(wěn)定度指標(biāo)最優(yōu)，但研制難度也最高；銣原子鐘具有體積小、重量輕、功耗低、技術(shù)難度較低、可靠性高等優(yōu)勢，為目前各國導(dǎo)航系統(tǒng)普遍采用；銫原子鐘使用壽命短，但最大優(yōu)勢是具有低漂移特性。

“目前我國已經(jīng)攻克了銣原子鐘、氫原子鐘的關(guān)鍵技術(shù)，并已經(jīng)在北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上使用了這兩種原子鐘搭配來測定時間的方案。”李春景說。與此同時，203所也已經(jīng)組建了星載銫原子鐘團(tuán)隊(duì)，并開展研制，未來也有希望成為北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”。

任何想要進(jìn)入203所原子鐘實(shí)驗(yàn)室一探究竟的人，都需要用白大褂、口罩、頭套、手套、鞋套全副武裝起來，最終全身上下只能留雙眼裸露在外，而這仍然不夠，為了最大可能地避免外界干擾，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室還需穿越一段強(qiáng)風(fēng)席卷的走廊，拂去身上的灰塵。在實(shí)驗(yàn)室里，新風(fēng)系統(tǒng)日夜?jié)M載工作，溫度和濕度被嚴(yán)格控制在一定范圍，任何一臺供衛(wèi)星使用的原子鐘在這里都像初生的嬰兒一般，被小心呵護(hù)。

除了對生產(chǎn)環(huán)境要求高，星載原子鐘的調(diào)試也是個“磨人”的差事。原子鐘十分“嬌氣”，任何一個細(xì)微參數(shù)的變化都可能影響到它進(jìn)入太空的表現(xiàn)，因此，每到整機(jī)調(diào)試階段，都需要有足夠經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)師親自“操刀”。
      

 “例如，進(jìn)入太空后，衛(wèi)星軌道環(huán)境溫度會產(chǎn)生波動，而原子鐘可能受此影響而產(chǎn)生誤差，從而直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度?！睏钔粽f，他繼李春景之后，擔(dān)任了星載銣原子鐘的項(xiàng)目負(fù)責(zé)人。據(jù)楊同敏介紹，為了降低原子鐘對溫度變化的敏感度，避免太空中產(chǎn)生誤差，“研發(fā)人員必須了解這一部原子鐘的全部特性，摸清它的電路和物理系統(tǒng)有什么‘脾氣’，才能知道怎么綜合調(diào)整造出最好的銣原子鐘。”
      

“原子鐘一旦上天，加電運(yùn)行就直到它‘壽終’，要求必須絕對可靠?！崩畲壕罢f。在他眼里，“原子鐘是當(dāng)之無愧的高科技含量的工藝精品，需要具有工匠精神的工程師精心打造?！?/span>

相比銣原子鐘，于2018年1月隨北斗三期第三、四顆星飛入太空的氫原子鐘可使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的定位精度、全球覆蓋及較長的自主導(dǎo)航能力，顯著降低北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全球應(yīng)用時的校時壓力。

       但是由于氫原子鐘結(jié)構(gòu)和原理更復(fù)雜，其研發(fā)難度也更大。為了讓北斗導(dǎo)航系統(tǒng)獲得與美國GPS、歐盟的伽利略、俄羅斯的三代格洛納斯這三大導(dǎo)航系統(tǒng)相媲美的能力。星載氫原子鐘的團(tuán)隊(duì)也用了近十年時間，解決了溫控系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，電磁兼容性的改善等一系列技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了氫原子鐘指標(biāo)優(yōu)化，整機(jī)小型化、輕量化技術(shù)等研究，并最終應(yīng)用于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。

       無論是氫原子鐘還是銣原子鐘，星載原子鐘這個瞄準(zhǔn)步入世界前列的重點(diǎn)任務(wù)，在立項(xiàng)之初都讓人“撓頭”——實(shí)驗(yàn)室環(huán)境要求高，技術(shù)完全為國外壟斷，研制過程毫無經(jīng)驗(yàn)可借鑒，“雖說早有心理準(zhǔn)備，但還是沒有預(yù)料到攻關(guān)居然會如此艱難，很多難題以前從未遇到?！崩畲壕罢f，“但他同時也清醒地認(rèn)識到：要搞全球?qū)Ш?，首要條件就是要有原子鐘！原子鐘產(chǎn)品不能依賴進(jìn)口，只有自己干一條路可走！”

       理頭緒，做實(shí)驗(yàn)，日夜兼程的調(diào)試，大家就像上了發(fā)條的鐘一樣不知疲憊?！盀榱烁愣夹g(shù)難題，白天黑夜連軸轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證；環(huán)境試驗(yàn)時，團(tuán)隊(duì)成員多班倒，進(jìn)行日夜守護(hù)和記錄數(shù)據(jù)?！崩畲壕罢f。長年累月大腦高度集中于此，竟真出現(xiàn)了夢中解決難題的神奇經(jīng)歷，“大家多少都遇到過夢到原子鐘聯(lián)調(diào)的情景。”中國的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星所需要的優(yōu)良“中國心”，就在這樣攻堅(jiān)克難中自主研發(fā)而成。

       如今，203所研制的星載銣原子鐘和氫原子鐘在技術(shù)性能及可靠性上均達(dá)到國際先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了星載原子鐘關(guān)鍵技術(shù)自主可控，打破了國外壟斷，該所還為此在2017年獲得國家科技進(jìn)步獎特等獎。仰望星空，幾乎每一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星都安裝了203所研制的原子鐘，這些“中國心”將使我國北斗自主全球?qū)Ш较到y(tǒng)走入高性能行列的夢想變?yōu)閷?shí)現(xiàn)。

（來源：光明日報(bào)）