揭秘北斗卫星的“中国心”
——专家解析我国新一代星载原子钟
光明日报记者 詹媛 光明日报通讯员 部英男 吴巍
2月12日，我国采取一箭双星方式，成功发射了北斗三号第五、六颗组网卫星，这两颗卫星上各装载了中国航天科工集团二院203所研制的高精度铷原子钟，作为我国自主研制的星载原子钟，其技术指标达到了国际先进水平。
长征三号乙运载火箭矗立在发射塔架上。史啸摄/光明图片
发射前，技术人员对火箭进行各项功能检查。史啸摄/光明图片
北斗导航卫星上所搭载的星载铷原子钟。中国航天科工集团二院203所供图
长征三号运载火箭（及远征一号上面级）成功发射第五、六颗北斗三号全球组网卫星。新华社发（梁珂岩摄）
处于总装阶段的长征三号乙运载火箭。 史啸摄/光明图片
随着北斗三号第5颗、第6颗导航卫星发射成功，李春景与他的团队击掌相庆，作为203所原子频率标准研究室副主任，他曾负责北斗三号导航卫星重大专项高精度星载铷原子钟的研制，他带领的团队研制的星载铷原子钟被视作北斗二代导航卫星研制难度最大的产品之一，其技术含金量之高，攻克难度之大，曾让北斗导航卫星总设计师谢军感言其研制过程“可歌可泣”。那么，原子钟是什么样的钟？它跟卫星导航之间又有什么关系呢？
1、原子钟是导航卫星的“心脏”
“星载原子钟作为导航卫星的‘心脏’，决定了导航系统的导航定位、测速及授时的精度，是一个国家能否具备独立发展导航系统能力的核心技术之一。”作为北斗二代导航卫星高精度星载铷原子钟研发负责人，李春景已经在原子钟研制的战线上奋战了14个年头，一谈到星载原子钟，他的话匣子就打开了。
据他介绍，北斗卫星导航系统作为我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，其导航的基本原理为利用多个卫星与地球上某个物体之间的距离来确定该物体的位置。根据物理学原理，这个距离可以用信号传播速度与时间相乘而得到，而卫星导航所使用的信号传播速度，其数值是固定的，因而时间测度越精确，距离计算越精准，导航的位置定位就越准确。
因而，从这一角度来说，“卫星导航的核心就是时间测量”。203所另外一款星载原子钟——氢原子钟的主管设计师王文明说，导航卫星上用来计算时间的精密装置就是原子钟，它利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来进行计时。由于这种电磁波非常稳定，再利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时精度可以达到每2000万年才误差1秒，从而为卫星导航提供精确的时间测度，也因此被称为导航卫星的“心脏”。
目前星载原子钟分为氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟，分别利用氢、铷、铯三种元素来制造。其中，氢原子钟稳定度指标最优，但研制难度也最高；铷原子钟具有体积小、重量轻、功耗低、技术难度较低、可靠性高等优势，为目前各国导航系统普遍采用；铯原子钟使用寿命短，但最大优势是具有低漂移特性。
“目前我国已经攻克了铷原子钟、氢原子钟的关键技术，并已经在北斗导航卫星上使用了这两种原子钟搭配来测定时间的方案。”李春景说。与此同时，203所也已经组建了星载铯原子钟团队，并开展研制，未来也有希望成为北斗导航卫星的“心脏”。
2、当之无愧的高科技工艺精品
任何想要进入203所原子钟实验室一探究竟的人，都需要用白大褂、口罩、头套、手套、鞋套全副武装起来，最终全身上下只能留双眼裸露在外，而这仍然不够，为了最大可能地避免外界干扰，进入实验室还需穿越一段强风席卷的走廊，拂去身上的灰尘。在实验室里，新风系统日夜满载工作，温度和湿度被严格控制在一定范围，任何一台供卫星使用的原子钟在这里都像初生的婴儿一般，被小心呵护。
除了对生产环境要求高，星载原子钟的调试也是个“磨人”的差事。原子钟十分“娇气”，任何一个细微参数的变化都可能影响到它进入太空的表现，因此，每到整机调试阶段，都需要有足够经验的设计师亲自“操刀”。
“例如，进入太空后，卫星轨道环境温度会产生波动，而原子钟可能受此影响而产生误差，从而直接影响导航系统定位精度。”杨同敏说，他继李春景之后，担任了星载铷原子钟的项目负责人。据杨同敏介绍，为了降低原子钟对温度变化的敏感度，避免太空中产生误差，“研发人员必须了解这一部原子钟的全部特性，摸清它的电路和物理系统有什么‘脾气’，才能知道怎么综合调整造出最好的铷原子钟。”
“原子钟一旦上天，加电运行就直到它‘寿终’，要求必须绝对可靠。”李春景说。在他眼里，“原子钟是当之无愧的高科技含量的工艺精品，需要具有工匠精神的工程师精心打造。”
3、实现全球导航必须先有“中国心”
相比铷原子钟，于2018年1月随北斗三期第三、四颗星飞入太空的氢原子钟可使北斗导航系统实现更高的定位精度、全球覆盖及较长的自主导航能力，显著降低北斗导航系统全球应用时的校时压力。
但是由于氢原子钟结构和原理更复杂，其研发难度也更大。为了让北斗导航系统获得与美国GPS、欧盟的伽利略、俄罗斯的三代格洛纳斯这三大导航系统相媲美的能力。星载氢原子钟的团队也用了近十年时间，解决了温控系统的参数优化，电磁兼容性的改善等一系列技术难题，实现了氢原子钟指标优化，整机小型化、轻量化技术等研究，并最终应用于北斗导航卫星。
无论是氢原子钟还是铷原子钟，星载原子钟这个瞄准步入世界前列的重点任务，在立项之初都让人“挠头”——实验室环境要求高，技术完全为国外垄断，研制过程毫无经验可借鉴，“虽说早有心理准备，但还是没有预料到攻关居然会如此艰难，很多难题以前从未遇到。”李春景说，“但他同时也清醒地认识到：要搞全球导航，首要条件就是要有原子钟！原子钟产品不能依赖进口，只有自己干一条路可走！”
理头绪，做实验，日夜兼程的调试，大家就像上了发条的钟一样不知疲惫。“为了搞定技术难题，白天黑夜连轴转进行实验、验证；环境试验时，团队成员多班倒，进行日夜守护和记录数据。”李春景说。长年累月大脑高度集中于此，竟真出现了梦中解决难题的神奇经历，“大家多少都遇到过梦到原子钟联调的情景。”中国的北斗导航卫星所需要的优良“中国心”，就在这样攻坚克难中自主研发而成。
如今，203所研制的星载铷原子钟和氢原子钟在技术性能及可靠性上均达到国际先进水平，实现了星载原子钟关键技术自主可控，打破了国外垄断，该所还为此在2017年获得国家科技进步奖特等奖。仰望星空，几乎每一颗北斗导航卫星都安装了203所研制的原子钟，这些“中国心”将使我国北斗自主全球导航系统走入高性能行列的梦想变为实现。
《光明日报》（ 2018年02月13日 08版）
