“中國(guó)心”：讓北斗這張國(guó)家名片更加閃耀

吳巍

近期，北斗二號(hào)衛(wèi)星工程榮獲2016年國(guó)家科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)，中國(guó)航天科工二院203所作為北斗二號(hào)衛(wèi)星工程核心載荷產(chǎn)品星載原子鐘的配套單位，成為本次國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)單位之一。

203所北斗銣原子鐘團(tuán)隊(duì)用15年的堅(jiān)守與執(zhí)著，在科技前沿取得了重大突破。這個(gè)團(tuán)隊(duì)為北斗二號(hào)衛(wèi)星交付了13個(gè)批次26臺(tái)自主研制的星載原子鐘，創(chuàng)造了所有批次零故障的運(yùn)行記錄，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星關(guān)鍵部件的自主可控，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。標(biāo)志著我國(guó)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(guó)外導(dǎo)航原子鐘的束縛，使我國(guó)已經(jīng)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后完全自主建立導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國(guó)家，扭轉(zhuǎn)了我國(guó)核心技術(shù)受制于人的被動(dòng)局面，實(shí)現(xiàn)了從跟跑者到領(lǐng)跑者的轉(zhuǎn)變。

核心技術(shù)掌控在手

星載原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的核心，為衛(wèi)星系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時(shí)間頻率基準(zhǔn)信號(hào)。其輸出的時(shí)間頻率信號(hào)的穩(wěn)定性直接決定定位和導(dǎo)航精度，決定著在無(wú)地面監(jiān)測(cè)站進(jìn)行同步校準(zhǔn)情況下，其自主提供高精度時(shí)間信號(hào)的能力。由于其重要的戰(zhàn)略地位，國(guó)外一直對(duì)中國(guó)實(shí)行禁售。

“要搞全球?qū)Ш?，首要條件就是要有原子鐘！可現(xiàn)實(shí)卻很殘酷，我國(guó)在搞北斗之前原子鐘技術(shù)非常薄弱，原子鐘產(chǎn)品全靠進(jìn)口。進(jìn)口鐘不僅價(jià)格昂貴，而且關(guān)鍵技術(shù)掌握在外國(guó)人手里。將使北斗系統(tǒng)潛伏巨大安全隱患，原子鐘產(chǎn)品只有自己干一條路可走！”作為北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星高精度星載銣原子鐘負(fù)責(zé)人李春景介紹道。

打破國(guó)外限制的爭(zhēng)氣工程

星載銣原子鐘是北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星研制難度最大的產(chǎn)品之一，原子鐘的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。作為關(guān)鍵技術(shù)的“含金量”很高，也是研制歷程最坎坷的產(chǎn)品之一，在研制過(guò)程中北斗總師、“兩彈一星”功勛孫家棟老總曾多次親臨203所視察銣原子鐘研制情況。他堅(jiān)定地說(shuō)“我們自己的導(dǎo)航衛(wèi)星一定要用我們自己研制的原子鐘！”

高精度星載銣原子鐘是北斗二代二期的核心部件，關(guān)系到整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)導(dǎo)航定位的精度，銣原子鐘技術(shù)難度非比尋常，要在短時(shí)間內(nèi)完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，指標(biāo)要求之高，挑戰(zhàn)異常艱巨，前方的道路困難重重，但這是一項(xiàng)打破國(guó)外限制的爭(zhēng)氣工程，再苦再難也要向前沖。203所將北斗銣原子鐘工程作為專項(xiàng)工程，重中之重。為銣原子鐘組配備精兵強(qiáng)將，只要項(xiàng)目組有需求，所里就積極協(xié)調(diào)進(jìn)行配備，全力以赴滿足他們的需求。

像上了發(fā)條的“鐘”一樣

攻關(guān)難度大，挑戰(zhàn)異常艱巨。做銣原子鐘是項(xiàng)非?！鞍救恕钡墓ぷ鳎瑸榱吮ＷC24小時(shí)不間斷測(cè)試，經(jīng)常是白天調(diào)試，晚上就盯在測(cè)試儀器前，觀察數(shù)據(jù)，一測(cè)就是一夜時(shí)間。在日夜兼程進(jìn)行調(diào)試的階段，大家就像上了發(fā)條的“鐘”一樣連軸轉(zhuǎn)。人的精力是有限的，但拼搏精神可以創(chuàng)造無(wú)限。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李春景如數(shù)家珍：“頭一次體驗(yàn)三天三夜不合眼，那種上眼皮如同墜了鉛的感覺(jué)記憶猶新。沒(méi)想到有了頭一回，還有第二回、第三回，幾次測(cè)試節(jié)點(diǎn)和交付節(jié)點(diǎn)前必須完成任務(wù)，發(fā)射進(jìn)度容不得你有半點(diǎn)含糊。就是這種執(zhí)著的精神，打下了攻堅(jiān)戰(zhàn)，國(guó)產(chǎn)銣原子鐘問(wèn)世，并解決了壽命評(píng)估、長(zhǎng)期穩(wěn)定度測(cè)試等問(wèn)題。

“為了搞定微波信號(hào)溫度系數(shù)、伺服系統(tǒng)穩(wěn)定性等技術(shù)難題，團(tuán)隊(duì)白天黑夜連軸轉(zhuǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證；環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，團(tuán)隊(duì)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(guò)這樣的神奇經(jīng)歷，做夢(mèng)經(jīng)常會(huì)夢(mèng)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(shí)的工作場(chǎng)景一般。有時(shí)，技術(shù)人員一覺(jué)醒來(lái)，立馬翻身下了在辦公室里的行軍床，趕緊將夢(mèng)中的情境付諸現(xiàn)實(shí)，困擾多日的問(wèn)題終于解決了。2005年，203所交付了我國(guó)首批兩臺(tái)星載銣原子鐘工程化初樣鑒定機(jī)，標(biāo)志著我國(guó)原子鐘自主化邁出了一大步。

每個(gè)細(xì)節(jié)做到極致

在項(xiàng)目攻關(guān)階段，微波穩(wěn)定性一調(diào)就是十幾天，不停地仿真、試驗(yàn)論證、做溫度試驗(yàn)，既要保證可靠性，還要保證性能優(yōu)良。銣原子鐘目前的性能指標(biāo)已經(jīng)接近了極限，想再提高一點(diǎn)非常困難。測(cè)試過(guò)程中需要特別精細(xì)，不能容忍任何性能上的缺陷。他們通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，再將仿真參數(shù)拿到電路系統(tǒng)上，看調(diào)試結(jié)果與仿真結(jié)果是否能達(dá)到預(yù)期效果，并在溫度變化范圍內(nèi)鑒定穩(wěn)定性，觀察溫度變化與微波功率的變化情況，溫度每變化一度，微波功率發(fā)生變化，最終使微波功率溫度穩(wěn)定性提高，一遍遍摸索參數(shù)，進(jìn)行仿真，得到解決?！拔覀儽仨毎衙恳粋€(gè)細(xì)節(jié)做到極致，力爭(zhēng)最優(yōu)的性能指標(biāo)?！睘榱吮Ｕ细嗟墓ぷ鲿r(shí)間，兩任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人李春景和楊同敏，都是從剛剛?cè)胱〉膶挸髁恋男录遥岬搅藛挝桓浇耐沧訕?，家人埋怨，他們頂住重重壓力，坦然說(shuō)道，“住得近方便，反正我經(jīng)常加班，房子夠她們娘倆住得了?！?/p>

我國(guó)的星載銣原子鐘終于在2007年上天服役，中國(guó)人終于有了自己的原子鐘！不靠任何人，掐住北斗脖子的手終于被砍掉了！目前，我國(guó)自主的星載銣原子鐘不只可以用，還超過(guò)了歐洲水平，達(dá)到了世界一流水平。

以工匠精神精心打造原子鐘

“銣原子鐘在宇宙里跟隨衛(wèi)星轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)溫度會(huì)變化，會(huì)直接影響定位精度，所以要讓鐘對(duì)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。”楊同敏說(shuō)，“一些情況下，我們必須要設(shè)計(jì)高精度的控溫系統(tǒng)，把溫度控制住。這要從溫度敏感組件入手，甚至要定位到溫度敏感器件。而頻率穩(wěn)定度表征了原子鐘頻率波動(dòng)的大小，決定了某一時(shí)刻頻率的不確定性，是導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差的決定性因素。

銣原子鐘調(diào)試需要技術(shù)人員掌握原子鐘電路和物理部分的性能，每臺(tái)鐘都要從每個(gè)參數(shù)開(kāi)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(yùn)行就直到它“壽終”，要求必須絕對(duì)可靠。原子鐘是當(dāng)之無(wú)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(shuō)。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！為組網(wǎng)星密集發(fā)射布網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。原子鐘的天穩(wěn)度達(dá)到了5×10-14，定位精度10米，測(cè)速精度達(dá)到了每秒0.2米，授時(shí)精度50納秒。

為了提高北斗導(dǎo)航的定位精度，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的長(zhǎng)期自主運(yùn)行能力，2015年，203所研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)星載氫原子中順利交付衛(wèi)星總體，并隨衛(wèi)星成功上天，而且在軌正常運(yùn)行，這是我國(guó)星載原子鐘和導(dǎo)航領(lǐng)域的又一重要里程碑。

作為國(guó)內(nèi)唯一一家同時(shí)研制氫、銣、銫三種傳統(tǒng)原子鐘的單位，203所奮斗的腳步不會(huì)停止，將研制更加精準(zhǔn)的原子鐘，向更高科技高峰邁進(jìn)。北斗在高高的太空中遨游，原子鐘人卻很少有時(shí)問(wèn)抬頭去仰望星空，他們?cè)诘皖^躬身于眼前的美麗原子鐘，讓中國(guó)的北斗成為世界上最精最準(zhǔn)最穩(wěn)的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。不久的將來(lái)，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建立完畢后，每個(gè)國(guó)人將會(huì)切身感受到祖國(guó)的強(qiáng)大。endprint