星載原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“心臟”，對(duì)系統(tǒng)定位和授時(shí)精度具有決定性作用。中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所(簡(jiǎn)稱“武漢物數(shù)所”)研究員梅剛?cè)A率隊(duì)歷經(jīng)20余年攻關(guān)，研制出具有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的星載銣原子鐘(簡(jiǎn)稱“星載銣鐘”)，整體性能實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先。
記者近日走近梅剛?cè)A及其團(tuán)隊(duì)，揭秘星載銣鐘研制歷程。
從零開始反復(fù)試驗(yàn)
上世紀(jì)90年代，中國(guó)制定北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，作為其中關(guān)鍵技術(shù)的星載原子鐘，在當(dāng)時(shí)的中國(guó)屬于技術(shù)空白。
可用作星載原子鐘的有氫原子鐘、銫原子鐘和銣原子鐘。三者相比，銣原子鐘體積小、重量輕、功耗低、可靠性高和壽命長(zhǎng)，制造和使用成本也最低，因此為各國(guó)導(dǎo)航系統(tǒng)普遍采用。
在從國(guó)外引進(jìn)星載銣鐘遭拒后，中國(guó)開始自主研制之路。兼具原子分子物理與無線電物理學(xué)科優(yōu)勢(shì)的武漢物數(shù)所，成為中國(guó)最早開展星載原子鐘研究單位。
梅剛?cè)A回憶，1997年承擔(dān)首個(gè)星載原子鐘預(yù)研項(xiàng)目時(shí)，他和同事對(duì)銣原子鐘的壽命、可靠性和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性等完全沒有設(shè)計(jì)概念，只能反復(fù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、改進(jìn)，尋找最佳答案。
銣原子鐘核心部件微波腔，直接決定原子鐘信號(hào)強(qiáng)弱。團(tuán)隊(duì)不斷嘗試，用時(shí)一年多研制出開槽管微波腔，奠定銣鐘高穩(wěn)定度和小型化技術(shù)基礎(chǔ)。團(tuán)隊(duì)還發(fā)明一種新型銣光譜燈，克服了限制銣鐘壽命和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性的主要障礙。
“讓北斗用上最好的鐘”
歷經(jīng)多年努力，團(tuán)隊(duì)在2007年研制出可滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1米定位精度應(yīng)用需求的第一代星載銣鐘，產(chǎn)品批量裝備在北斗二號(hào)衛(wèi)星，為北斗系統(tǒng)在2012年完成亞太地區(qū)組網(wǎng)并提供區(qū)域服務(wù)作出重要貢獻(xiàn)。
團(tuán)隊(duì)立志“讓中國(guó)的北斗用上最好的鐘”，近五年來先后研制出第二代高精度星載銣鐘和第三代甚高精度星載銣鐘。其中，第二代產(chǎn)品批量裝備北斗三號(hào)衛(wèi)星；第三代產(chǎn)品則是目前世界上性能最高的銣原子鐘，在2018年年底首次用于北斗三號(hào)衛(wèi)星。
在武漢物數(shù)所展示室，10余種原子鐘樣機(jī)依次排列，述說著升級(jí)迭代歷程。記者看到，早期的氫原子鐘有1人多高，最新一代的星載銣鐘則只有鞋盒大小。梅剛?cè)A介紹，原子鐘的發(fā)展趨勢(shì)是體積越來越小，性能越來越好。
目前，武漢物數(shù)所是中國(guó)唯一具備星載銣鐘整機(jī)設(shè)計(jì)和研制能力的單位。梅剛?cè)A透露，近幾年北斗三號(hào)系統(tǒng)建設(shè)高峰期，每年由該所交付使用的星載銣鐘達(dá)10余臺(tái)。截至目前，共有45臺(tái)該所研制的星載銣鐘隨北斗衛(wèi)星上天，另有6臺(tái)用在其他衛(wèi)星上。
“吃著碗里，看著鍋里”
2000年底，中國(guó)建成北斗一號(hào)系統(tǒng)；2012年底，建成北斗二號(hào)系統(tǒng)，向亞太地區(qū)提供服務(wù)。目前，正在實(shí)施北斗三號(hào)系統(tǒng)建設(shè)，計(jì)劃在2020年前后，建成北斗全球系統(tǒng)。
梅剛?cè)A表示，現(xiàn)有的星載銣鐘完全可以滿足北斗三號(hào)系統(tǒng)定位精度應(yīng)用需求，但“搞科學(xué)研究，要吃著碗里，看著鍋里，往后多看幾步?！彼蛨F(tuán)隊(duì)還在研制下一代星載原子鐘——汞離子鐘，已制作出原理樣機(jī)，精度預(yù)期比甚高精度星載銣鐘更高。
梅剛?cè)A透露，除星載原子鐘外，實(shí)驗(yàn)室還研制出可搬運(yùn)鈣離子光鐘原理樣機(jī)和僅手表大小的芯片級(jí)原子鐘，前者有望用于北斗地面站，后者可用于高性能北斗接收機(jī)。
（來源：中國(guó)新聞網(wǎng)）
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