星載原子鐘

王之康

6月23日9時(shí)43分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。搭載著北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星的長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭，伴隨著火光、煙霧和轟鳴聲，飛離塔臺(tái)，沖向云霄，并準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定的地球靜止軌道。

不久之后，作為四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一的北斗，將為全球用戶(hù)提供更加完備的時(shí)空信息服務(wù)。其中，與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的，要數(shù)全天時(shí)、全天候、高精度全球定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)了。這項(xiàng)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)一個(gè)核心裝置，即衛(wèi)星的“心臟”——原子鐘。上世紀(jì)90年代，我國(guó)制定了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。星載原子鐘是導(dǎo)航衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)。

通常，導(dǎo)航衛(wèi)星上應(yīng)用的原子鐘有銣原子鐘、銫原子鐘和氫原子鐘。相較而言，銣原子鐘體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)，制造和使用成本也最低，因此被各國(guó)導(dǎo)航系統(tǒng)普遍采用。

當(dāng)時(shí)，星載原子鐘技術(shù)僅為歐美少數(shù)科技強(qiáng)國(guó)掌握，在我國(guó)屬于技術(shù)空白。要建成完全自主可控的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，我國(guó)只能走自主研發(fā)的道路。但要實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的突破，其難度可想而知。

1997年，這個(gè)重?fù)?dān)落在了中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院（原武漢物理與數(shù)學(xué)研究所）研究員梅剛?cè)A的肩上。

“剛開(kāi)始做的時(shí)候，我們的銣原子鐘的精度跟西方發(fā)達(dá)國(guó)家的差距有兩個(gè)數(shù)量級(jí)。”梅剛?cè)A告訴記者，“對(duì)銣原子鐘的壽命、可靠性和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性等，則完全沒(méi)有設(shè)計(jì)概念，差不多就是一片空白，只能下苦功夫，反復(fù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、改進(jìn)，尋找最佳方案。”

從那時(shí)開(kāi)始，梅剛?cè)A就帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一頭扎進(jìn)了星載銣原子鐘技術(shù)研究工作中。此后的20多年間，抱著“讓北斗用上最好的鐘”的信念，梅剛?cè)A團(tuán)隊(duì)相繼突破了星載銣原子鐘精度、小型化、壽命、可靠性和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性五大關(guān)鍵技術(shù)，研制出三代星載銣原子鐘，使我國(guó)星載銣鐘技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、由有到精的跨越。如今，北斗三號(hào)衛(wèi)星的每顆衛(wèi)星都裝上了梅剛?cè)A團(tuán)隊(duì)的星載銣原子鐘。已經(jīng)投入使用的第三代產(chǎn)品——甚高精度星載銣原子鐘，其精度可以達(dá)到每天100億分之5秒，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

不過(guò)，梅剛?cè)A并沒(méi)有滿(mǎn)足于研究現(xiàn)狀。“我們正在研制新一代星載原子鐘，預(yù)期精度比甚高精度星載銣鐘更高。”幾乎與梅剛?cè)A團(tuán)隊(duì)同時(shí)，一支來(lái)自中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)的科研團(tuán)隊(duì)也投入到星載原子鐘的研制行列當(dāng)中。不過(guò)，他們研制的是另外一種原子鐘——星載氫原子鐘。其實(shí)，從上世紀(jì)七八十年代開(kāi)始，上海天文臺(tái)就開(kāi)始了地面氫原子鐘的研制工作，這也為2002年我國(guó)首臺(tái)星載氫原子鐘的誕生及其之后的工程化研制奠定了深厚的基礎(chǔ)。“氫鐘同時(shí)具備頻率穩(wěn)定性好、漂移率小的特點(diǎn)，在主要保證精度的同時(shí)還能提高衛(wèi)星的自主運(yùn)行能力。”上海天文臺(tái)研究員帥濤說(shuō)。目前，僅有中國(guó)的北斗衛(wèi)星和歐洲的伽利略衛(wèi)星同時(shí)配置了星載銣原子鐘和星載氫原子鐘。

據(jù)帥濤介紹，我國(guó)研制的星載氫原子鐘與歐洲的相比，兩者地面測(cè)試性能相當(dāng)，但從在軌綜合表現(xiàn)來(lái)看，我國(guó)星載氫原子鐘實(shí)現(xiàn)的用戶(hù)測(cè)距誤差更小。

2015年9月，由上海天文臺(tái)研制的我國(guó)首臺(tái)星載氫原子鐘隨北斗三號(hào)衛(wèi)星上天應(yīng)用。它突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，核心元器件全部國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了完全自主可控。即使氫原子鐘在太空中突發(fā)故障，也絲毫不用擔(dān)心。

“衛(wèi)星設(shè)計(jì)了時(shí)頻生成與保持系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)主用原子鐘和備用原子鐘之間無(wú)縫切換，切換前后衛(wèi)星時(shí)間變化小于20皮秒（1皮秒等于1萬(wàn)億分之1秒），用戶(hù)測(cè)距誤差小于0.01米。”中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長(zhǎng)、北斗衛(wèi)星總師林寶軍說(shuō)，用戶(hù)完全察覺(jué)不到原子鐘的切換所帶來(lái)的導(dǎo)航定位信號(hào)改變。據(jù)了解，上海天文臺(tái)研究團(tuán)隊(duì)下一步還將在保證星載氫原子鐘性能指標(biāo)的同時(shí)，將其重量減輕至10公斤以下，以適應(yīng)下一代高集成度導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展的需要。

中國(guó)自主研發(fā)的空間主動(dòng)型氫原子鐘。圖片|瞭望智

圖片|中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)

可以說(shuō)，北斗能夠躋身四大全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之列，甚至部分性能優(yōu)于其他導(dǎo)航系統(tǒng)，最直接的原因就是一系列技術(shù)創(chuàng)新。

除了前文提到的銣原子鐘和氫原子鐘外，還有基于相控陣的Ka星間鏈路技術(shù)，解決了制約北斗全球組網(wǎng)的瓶頸問(wèn)題。研究人員還首次在導(dǎo)航衛(wèi)星上采用大功率氮化鎵固態(tài)放大器，提高了信號(hào)質(zhì)量。利用衛(wèi)星自主診斷恢復(fù)技術(shù)，衛(wèi)星在完全沒(méi)有地面干預(yù)的情況下，可以進(jìn)行自主健康診斷、故障隔離和恢復(fù)等。不過(guò)，在林寶軍看來(lái)，技術(shù)創(chuàng)新固然重要，但還有兩個(gè)方面的創(chuàng)新，更值得關(guān)注和思考。

首先是理念的創(chuàng)新。專(zhuān)家表示，以往的衛(wèi)星都是按照分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，就是把一個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)分成若干個(gè)分系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)、姿控、推進(jìn)等，每個(gè)分系統(tǒng)都有主任設(shè)計(jì)師負(fù)責(zé)。

“分系統(tǒng)的好處是責(zé)任界定清楚、分工比較明確，但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)，就是設(shè)計(jì)冗雜、可靠性低。”林寶軍說(shuō)，“因此，我們提出了‘功能鏈的設(shè)計(jì)理念，從本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)內(nèi)部的一體化設(shè)計(jì)，分為姿軌控、結(jié)構(gòu)熱、電子學(xué)、載荷4個(gè)功能鏈，最大限度地完成了衛(wèi)星內(nèi)部各項(xiàng)資源的優(yōu)化整合，提高了功能密度，提升了可靠性，大幅降低了成本。”

其次是觀(guān)念的創(chuàng)新。航天領(lǐng)域曾有個(gè)不成文的規(guī)矩，就是新技術(shù)使用不能超過(guò)30%，否則風(fēng)險(xiǎn)增大，系統(tǒng)不可控。但林寶軍認(rèn)為，新技術(shù)不等于不可靠。而且，一般攻關(guān)一項(xiàng)航天技術(shù)要花10年左右時(shí)間，攻關(guān)成功后研制衛(wèi)星又可能要10年，“這等于你用人家現(xiàn)在的技術(shù)，等你把衛(wèi)星做出來(lái)，已是人家20年前的老技術(shù)了，肯定不行！”

所以，航天領(lǐng)域要突破傳統(tǒng)觀(guān)念，采用長(zhǎng)板理論，大膽使用創(chuàng)新技術(shù)。“就好比銣原子鐘和氫原子鐘，要大膽發(fā)展、使用性能指標(biāo)更高的氫原子鐘，同時(shí)也要裝備銣原子鐘來(lái)保底，做到萬(wàn)無(wú)一失。”林寶軍說(shuō)。“創(chuàng)新是科技的靈魂，尤其是中科院的人，從骨子里就要能創(chuàng)新。”林寶軍指出，只有做創(chuàng)新的事，把創(chuàng)新和工程結(jié)合起來(lái)，才能夠?qū)崿F(xiàn)跨越發(fā)展。

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