揭秘北斗衛星的“中國心”

揭秘北斗衛星的“中國心”

——專家解析我國新一代星載原子鐘

光明日報記者 詹媛 光明日報通訊員 部英男 吳巍

2月12日，我國采取一箭雙星方式，成功發射了北斗三號第五、六顆組網衛星，這兩顆衛星上各裝載了中國航天科工集團二院203所研制的高精度銣原子鐘，作為我國自主研制的星載原子鐘，其技術指標達到了國際先進水平。

　　長征三號乙運載火箭矗立在發射塔架上。史嘯攝/光明圖片

　　發射前，技術人員對火箭進行各項功能檢查。史嘯攝/光明圖片

　　北斗導航衛星上所搭載的星載銣原子鐘。中國航天科工集團二院203所供圖

長征三號運載火箭（及遠征一號上面級）成功發射第五、六顆北斗三號全球組網衛星。新華社發（梁珂巖攝）

　　處于總裝階段的長征三號乙運載火箭。史嘯攝/光明圖片

隨著北斗三號第5顆、第6顆導航衛星發射成功，李春景與他的團隊擊掌相慶，作為203所原子頻率標準研究室副主任，他曾負責北斗三號導航衛星重大專項高精度星載銣原子鐘的研制，他帶領的團隊研制的星載銣原子鐘被視作北斗二代導航衛星研制難度最大的產品之一，其技術含金量之高，攻克難度之大，曾讓北斗導航衛星總設計師謝軍感言其研制過程“可歌可泣”。那么，原子鐘是什么樣的鐘？它跟衛星導航之間又有什么關系呢？

1、原子鐘是導航衛星的“心臟”

“星載原子鐘作為導航衛星的‘心臟’，決定了導航系統的導航定位、測速及授時的精度，是一個國家能否具備獨立發展導航系統能力的核心技術之一。”作為北斗二代導航衛星高精度星載銣原子鐘研發負責人，李春景已經在原子鐘研制的戰線上奮戰了14個年頭，一談到星載原子鐘，他的話匣子就打開了。

據他介紹，北斗衛星導航系統作為我國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統，其導航的基本原理為利用多個衛星與地球上某個物體之間的距離來確定該物體的位置。根據物理學原理，這個距離可以用信號傳播速度與時間相乘而得到，而衛星導航所使用的信號傳播速度，其數值是固定的，因而時間測度越精確，距離計算越精準，導航的位置定位就越準確。

因而，從這一角度來說，“衛星導航的核心就是時間測量”。203所另外一款星載原子鐘——氫原子鐘的主管設計師王文明說，導航衛星上用來計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出的電磁波來進行計時。由于這種電磁波非常穩定，再利用一系列精密的儀器進行控制，原子鐘的計時精度可以達到每2000萬年才誤差1秒，從而為衛星導航提供精確的時間測度，也因此被稱為導航衛星的“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，氫原子鐘穩定度指標最優，但研制難度也最高；銣原子鐘具有體積小、重量輕、功耗低、技術難度較低、可靠性高等優勢，為目前各國導航系統普遍采用；銫原子鐘使用壽命短，但最大優勢是具有低漂移特性。

“目前我國已經攻克了銣原子鐘、氫原子鐘的關鍵技術，并已經在北斗導航衛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所也已經組建了星載銫原子鐘團隊，并開展研制，未來也有希望成為北斗導航衛星的“心臟”。

2、當之無愧的高科技工藝精品

任何想要進入203所原子鐘實驗室一探究竟的人，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，進入實驗室還需穿越一段強風席卷的走廊，拂去身上的灰塵。在實驗室里，新風系統日夜滿載工作，溫度和濕度被嚴格控制在一定范圍，任何一臺供衛星使用的原子鐘在這里都像初生的嬰兒一般，被小心呵護。

除了對生產環境要求高，星載原子鐘的調試也是個“磨人”的差事。原子鐘十分“嬌氣”，任何一個細微參數的變化都可能影響到它進入太空的表現，因此，每到整機調試階段，都需要有足夠經驗的設計師親自“操刀”。

“例如，進入太空后，衛星軌道環境溫度會產生波動，而原子鐘可能受此影響而產生誤差，從而直接影響導航系統定位精度。”楊同敏說，他繼李春景之后，擔任了星載銣原子鐘的項目負責人。據楊同敏介紹，為了降低原子鐘對溫度變化的敏感度，避免太空中產生誤差，“研發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有什么‘脾氣’，才能知道怎么綜合調整造出最好的銣原子鐘。”

“原子鐘一旦上天，加電運行就直到它‘壽終’，要求必須絕對可靠。”李春景說。在他眼里，“原子鐘是當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。”

3、實現全球導航必須先有“中國心”

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

但是由于氫原子鐘結構和原理更復雜，其研發難度也更大。為了讓北斗導航系統獲得與美國GPS、歐盟的伽利略、俄羅斯的三代格洛納斯這三大導航系統相媲美的能力。星載氫原子鐘的團隊也用了近十年時間，解決了溫控系統的參數優化，電磁兼容性的改善等一系列技術難題，實現了氫原子鐘指標優化，整機小型化、輕量化技術等研究，并最終應用于北斗導航衛星。

無論是氫原子鐘還是銣原子鐘，星載原子鐘這個瞄準步入世界前列的重點任務，在立項之初都讓人“撓頭”——實驗室環境要求高，技術完全為國外壟斷，研制過程毫無經驗可借鑒，“雖說早有心理準備，但還是沒有預料到攻關居然會如此艱難，很多難題以前從未遇到。”李春景說，“但他同時也清醒地認識到：要搞全球導航，首要條件就是要有原子鐘！原子鐘產品不能依賴進口，只有自己干一條路可走！”

理頭緒，做實驗，日夜兼程的調試，大家就像上了發條的鐘一樣不知疲憊。“為了搞定技術難題，白天黑夜連軸轉進行實驗、驗證；環境試驗時，團隊成員多班倒，進行日夜守護和記錄數據。”李春景說。長年累月大腦高度集中于此，竟真出現了夢中解決難題的神奇經歷，“大家多少都遇到過夢到原子鐘聯調的情景。”中國的北斗導航衛星所需要的優良“中國心”，就在這樣攻堅克難中自主研發而成。

如今，203所研制的星載銣原子鐘和氫原子鐘在技術性能及可靠性上均達到國際先進水平，實現了星載原子鐘關鍵技術自主可控，打破了國外壟斷，該所還為此在2017年獲得國家科技進步獎特等獎。仰望星空，幾乎每一顆北斗導航衛星都安裝了203所研制的原子鐘，這些“中國心”將使我國北斗自主全球導航系統走入高性能行列的夢想變為實現。

《光明日報》（ 2018年02月13日 08版）