[科普中國]-北斗導(dǎo)航星載原子鐘是如何研制的？

編者按：

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（以下簡稱北斗系統(tǒng)）是中國著眼于國家安全和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需要，自主建設(shè)、獨立運行的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要空間基礎(chǔ)設(shè)施。目前，我國正在實施北斗三號系統(tǒng)建設(shè)，計劃到2020年前后，完成30余顆衛(wèi)星發(fā)射組網(wǎng)，為全球用戶提供服務(wù)。

北斗系統(tǒng)，在建設(shè)過程中實現(xiàn)了核心關(guān)鍵技術(shù)的全面突破，涌現(xiàn)出大批優(yōu)秀科研攻關(guān)團(tuán)隊和個人。即日起，《軍事科技前沿》將持續(xù)聚焦北斗系統(tǒng)建設(shè)，解讀其中的核心裝備、關(guān)鍵元器件等重要技術(shù)突破，以及在這背后默默付出的科技工作者和他們所展現(xiàn)出的科學(xué)精神。

出品：科普中國

作者：趙清建 操春燕 部英男

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)部

作為導(dǎo)航衛(wèi)星的心臟，高性能的星載原子鐘對導(dǎo)航精度具有決定性作用。原子鐘是利用原子躍遷頻率穩(wěn)定的特性來獲取精準(zhǔn)時間頻率信號的設(shè)備，其研發(fā)涉及到量子物理學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等眾多學(xué)科，目前國際上僅少數(shù)國家具有獨立研制能力。

2月12日，我國采取一箭雙星方式，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了北斗三號工程第五、六顆組網(wǎng)衛(wèi)星。這兩顆衛(wèi)星上均裝載了航天科工研制的一臺高精度銣鐘。那么，他們是如何研發(fā)的？研發(fā)過程有經(jīng)歷了哪些困難和波折呢？

2月12日，北斗三號工程第五、六顆組網(wǎng)衛(wèi)星在西昌發(fā)射。梁珂巖攝

2017年1月8日，北斗二號衛(wèi)星工程榮獲2016年國家科技進(jìn)步特等獎，中國航天科工二院203所作為北斗二號衛(wèi)星工程核心載荷產(chǎn)品——星載原子鐘的配套單位，研制的高精度原子鐘已達(dá)到了世界一流水平，實現(xiàn)了關(guān)鍵技術(shù)自主可控打破國外壟斷，成為本次國家科技進(jìn)步獎特等獎獲獎單位之一。

作為國內(nèi)唯一一家同時研制氫、銣、銫三種傳統(tǒng)原子鐘的單位，203所原子鐘團(tuán)隊用16年的堅守與執(zhí)著，在科技前沿取得了重大突破。該所研制的星載原子鐘已廣泛應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng), 截止目前，這個團(tuán)隊已經(jīng)順利交付多臺星載原子鐘產(chǎn)品,裝載于北斗導(dǎo)航衛(wèi)星中。隨著一次次原子鐘搭載發(fā)射的成功，標(biāo)志著我國已經(jīng)完全掌握了星載原子鐘的研制技術(shù)，完全擺脫了國外導(dǎo)航原子鐘的束縛，也標(biāo)志著我國已經(jīng)成為完全自主建立導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國家。

擁有信念 超越自我

承載著國家重大任務(wù)的使命和擔(dān)當(dāng)

原子鐘是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的心臟，其為衛(wèi)星系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時間頻率基準(zhǔn)信號，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立發(fā)展導(dǎo)航系統(tǒng)能力的核心技術(shù)之一。

原子鐘是利用“磁共振”技術(shù)鎖定的超精細(xì)能級躍遷頻率來實現(xiàn)基準(zhǔn)頻率輸出的，其工作原理涉及量子力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)等學(xué)科，指標(biāo)要求相當(dāng)苛刻，在航天系統(tǒng)中屬于研制難度最大的產(chǎn)品之一，向來受到“特殊關(guān)照”，被北斗導(dǎo)航衛(wèi)星總師稱之為“可歌可泣”的產(chǎn)品。

從北斗導(dǎo)航系統(tǒng)工程研制開始，203所作為傳統(tǒng)的原子鐘研制單位就瞄準(zhǔn)國際一流的高性能高可靠的星載銣原子鐘。李春景作為北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星高精度星載銣原子鐘研發(fā)課題的負(fù)責(zé)人，也是整個團(tuán)隊中的靈魂人物，這個已經(jīng)在原子鐘戰(zhàn)線上奮戰(zhàn)了14個年頭瘦瘦的“大個子”一談起北斗銣鐘，他的話匣子就打開了：“要搞全球?qū)Ш?，首要條件就是要有原子鐘！原子鐘產(chǎn)品只有自己干一條路可走！所以從一開始原子鐘的自主研發(fā)就成了北斗系統(tǒng)總師關(guān)注的焦點。”

攻關(guān)難度大，挑戰(zhàn)異常艱巨，特別是在仿真和設(shè)計能力上，前進(jìn)的道路困難重重。為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)，203所原子鐘團(tuán)隊從立項之初，項目團(tuán)隊帶著必勝的信念，帶著敢于擔(dān)當(dāng)和攻堅克難的勇氣，反復(fù)摸索進(jìn)行方案論證、技術(shù)攻關(guān)、試驗驗證，一路上困難重重，總體方案和電路一再調(diào)整優(yōu)化。他們展開頭腦風(fēng)暴，開拓創(chuàng)新，通過不斷技術(shù)創(chuàng)新和改進(jìn)優(yōu)化，實現(xiàn)了整機(jī)高信噪比信號的輸出，實現(xiàn)了微波信號低噪聲、高穩(wěn)定性，達(dá)到了銣鐘輕量化、小型化指標(biāo)要求，并使得產(chǎn)品壽命大大提高，滿足十幾年的使用壽命要求……

一項項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、一個個技術(shù)創(chuàng)新，終于研發(fā)出了我國第一臺符合要求的星載原子鐘，擁有自主可控技術(shù)的星載銣原子鐘并實現(xiàn)在軌工作，中國人終于有了自己的星載原子鐘！

相比銣原子鐘，星載氫原子鐘是一個難度更大的產(chǎn)品，因為它的結(jié)構(gòu)和原理更復(fù)雜，但是氫原子鐘在重要技術(shù)指標(biāo)，如頻率穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度及日漂移率等方面具有明顯優(yōu)勢，可使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實現(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，是其可與世界其它三大導(dǎo)航系統(tǒng)相媲美的必要條件。

星載氫鐘負(fù)責(zé)人李晶是被年輕同志笑稱為氫鐘研制的“鼻祖”，他在技術(shù)上較真且追求完美，正是他這種對技術(shù)永無止境的追求才研制出與國外媲美的高性能高可靠的星載氫鐘。從星載被動氫鐘關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、電性件研制、鑒定件直到正樣的定型，他帶領(lǐng)項目團(tuán)隊用了近十年的時間，相繼解決了一系列技術(shù)難題；溫控系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，電磁兼容性的改善，使星載氫鐘長期頻率穩(wěn)定度大幅提高，增強(qiáng)了整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。最終攻克了包括指標(biāo)優(yōu)化，整機(jī)小型化、輕量化技術(shù)研究，空間環(huán)境適應(yīng)性、可靠性與長壽命技術(shù)研究等關(guān)鍵技術(shù)難題。

2015年9月30日7點13分，星載氫原子鐘跟隨北斗二代二期試驗衛(wèi)星在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，成為中國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展史上一個新的里程碑。目前，203所研制的星載氫鐘在技術(shù)性能及可靠性上均達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平，將首次大規(guī)模正式應(yīng)用于北斗導(dǎo)航工程，為北斗三號新一代導(dǎo)航衛(wèi)星的高性能、長壽命要求提供了有力保障。

集智攻關(guān) 攻堅克難

大幅度提升北斗導(dǎo)航性能指標(biāo)

2012年，203所研制的高精度銣原子鐘已達(dá)到了世界一流水平！但為了提高北斗導(dǎo)航定位精度和實現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的長期自主運行能力，2015年，國內(nèi)首臺星載氫原子鐘順利交付衛(wèi)星總體并隨衛(wèi)星成功上天且在軌運行正常，可使北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航定位性能能力大幅提升，是我國星載原子鐘領(lǐng)域和導(dǎo)航領(lǐng)域的又一個里程碑！

“銣原子鐘在軌運行過程中會受到衛(wèi)星軌道環(huán)境溫度波動影響，將會直接影響導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度所以要讓原子鐘對溫度變化的敏感度降低?！薄耙販?，研發(fā)人員必須了解鐘的全部特性，摸清它的‘脾氣’?！蹦壳暗你滅婍椖控?fù)責(zé)人楊同敏如是說。到整機(jī)調(diào)試階段，需要有足夠經(jīng)驗的設(shè)計師親自“操刀”調(diào)試。

與生產(chǎn)其他電子產(chǎn)品不同，比如生產(chǎn)手機(jī)，有調(diào)試工人，按照工藝文件調(diào)試就可以了。銣原子鐘調(diào)試則還需要工作人員掌握原子鐘電路和物理系統(tǒng)的脾氣， 知道怎么綜合調(diào)整才能造出最好的銣原子鐘，調(diào)試過程中從電子信號中看到物理本質(zhì)，設(shè)計師掌握的技術(shù)細(xì)節(jié)越多，產(chǎn)品質(zhì)量越好。到目前為止，星載銣原子鐘每臺鐘都要從每個參數(shù)開始精細(xì)調(diào)試，尤其是真空環(huán)境下的調(diào)試，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。原子鐘比瑞士的鐘表更加精細(xì)，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?！崩畲壕叭缡钦f。

星載原子鐘，這個從開始立項就瞄準(zhǔn)了打破國外壟斷、步入世界前列的重點任務(wù)，無論是誰剛接手時都會有些撓頭。面對研制中織亂如麻的問題，團(tuán)隊成員雖說早有心理準(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，沒有經(jīng)驗可借鑒。

理頭緒，做實驗，數(shù)不清多少個寄予期望的開頭，也記不住多少個沒有結(jié)果的結(jié)尾，產(chǎn)品交付進(jìn)度節(jié)點必須保證， 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。銣鐘項目負(fù)責(zé)人李春景對自己團(tuán)隊的經(jīng)歷如數(shù)家珍：“為了搞定技術(shù)難題，團(tuán)隊白天黑夜連軸轉(zhuǎn)進(jìn)行實驗、驗證；環(huán)境試驗時，團(tuán)隊成員多班倒，進(jìn)行日夜守護(hù)和記錄數(shù)據(jù)。大家都有過這樣的神奇經(jīng)歷，做夢經(jīng)常會夢到原子鐘聯(lián)調(diào)的情景：如何接線、如何搭電路，甚至示波器上如何顯示，如同真實的工作場景一般。有時，技術(shù)人員一覺醒來，立馬翻身下了行軍床，趕緊將夢中的情境付諸現(xiàn)實，困擾多日的問題終于解決了。李春景說道，對于我這個在學(xué)校都坐不住凳子的人，能這樣玩命專注地干一件工作，我自己都是難以想像的。

篤志大我 舍棄小我

鐫刻著原子鐘人的堅毅和無悔

國產(chǎn)原子鐘取得的成績是令人矚目的，榮譽背后，203所原子鐘人的一腔堅毅和無悔，無私奉獻(xiàn)和持之以恒，閃耀出一道又一道感動的光芒。

為了保證工作時間，李春景從剛剛?cè)胱〉膶挸髁帘蔽瀛h(huán)外的霍營新家，搬到了單位附近28平米的筒子樓。他安撫好妻子的強(qiáng)烈反對，帶著尚未入托的孩子，李春景自己倒是自我感覺良好，坦然說道：“反正我經(jīng)常加班，28平米夠她們娘倆住的了?！毙〈壕叭肓送?，開始懂事了，看著不少小朋友經(jīng)常是爸爸接送，爸爸陪玩，他終于忍不住向幼兒園老師告自己爸爸的狀。當(dāng)小春景哭訴的內(nèi)容傳到李春景耳中的時候，這個“不負(fù)責(zé)任”的爸爸眼角不禁有些濕潤?！皟鹤樱任覀兊你溤隅娦阅芡耆絿猱a(chǎn)品，我一定帶你好好出去玩！”

作為加班狂人的李晶，節(jié)假日的多數(shù)時間，他的身影總會在辦公室和調(diào)試間出現(xiàn)，十多年如一日。李晶經(jīng)常和大家開玩笑說：“現(xiàn)在我都不敢生病，即便生了病也不敢請假?！钡拇_，休假對李晶來說真的是一件挺奢侈的事，因為氫原子鐘馬上要上星，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)需要他。妻子臨產(chǎn)前，李晶和平日一樣，上班前向妻子扔下一句“晚上不回來吃飯了，自己湊合吃點，如果有情況就給我打電話”，就匆匆趕到單位。孰不知妻子當(dāng)天身體就不太舒服，特別希望李晶能多陪陪她，委屈的一天沒吃飯，眼淚還是沒忍住流了出來。等李晶再次回到家里，看著昨日桌上一點沒少的飯菜，心中心疼不已，好一頓安慰勸解才使得妻子破涕為笑。

銣鐘項目負(fù)責(zé)人楊同敏，也是蠻拼的。為了加班方便，楊同敏一家三口從長陽新房搬到了單位附近二十來平米簡陋破舊的平房，一住就是好幾年。別人問為他為什么，他的回答很簡單：“住的近方便。”然而，像楊同敏這樣的航天人，靠的就是可敬的家國情懷和無私奉獻(xiàn)的航天精神，他們克服了工作和生活中一個又一個的困難。

現(xiàn)任星載氫鐘負(fù)責(zé)人部英男一直就是大家眼中的“科技達(dá)人”，平時大家有什么電子產(chǎn)品的技術(shù)問題解決不了第一個想到的就是找他，他這種對技術(shù)天生的敏感和愛好成了科研中的一個優(yōu)勢，當(dāng)起項目負(fù)責(zé)人得心應(yīng)手。面對研制中紛繁復(fù)雜的技術(shù)難題和管理難題都被他睿智地解決了。作為家中的獨子，在父親生病住院期間也只請幾天假陪陪父親，回來便一頭扎進(jìn)實驗室。

在原子鐘研制團(tuán)隊中，幾乎所有成員都有長期加班的經(jīng)歷，每個人都多多少少都有些經(jīng)典的故事發(fā)生：有人把妻子不小心反鎖在洗手間，有人忘了孩子看病的時間，有人約好的相親由于加班被推掉，有人避堵車練成了長跑健將……只是這些故事的背后免不了都有些辛酸。

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