[科普中国]-北斗导航星载原子钟是如何研制的？

编者按：

北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。目前，我国正在实施北斗三号系统建设，计划到2020年前后，完成30余颗卫星发射组网，为全球用户提供服务。

北斗系统，在建设过程中实现了核心关键技术的全面突破，涌现出大批优秀科研攻关团队和个人。即日起，《军事科技前沿》将持续聚焦北斗系统建设，解读其中的核心装备、关键元器件等重要技术突破，以及在这背后默默付出的科技工作者和他们所展现出的科学精神。

出品：科普中国

作者：赵清建 操春燕 部英男

监制：光明网科普事业部

作为导航卫星的心脏，高性能的星载原子钟对导航精度具有决定性作用。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备，其研发涉及到量子物理学、电学、结构力学等众多学科，目前国际上仅少数国家具有独立研制能力。

2月12日，我国采取一箭双星方式，在西昌卫星发射中心成功发射了北斗三号工程第五、六颗组网卫星。这两颗卫星上均装载了航天科工研制的一台高精度铷钟。那么，他们是如何研发的？研发过程有经历了哪些困难和波折呢？

2月12日，北斗三号工程第五、六颗组网卫星在西昌发射。梁珂岩摄

2017年1月8日，北斗二号卫星工程荣获2016年国家科技进步特等奖，中国航天科工二院203所作为北斗二号卫星工程核心载荷产品——星载原子钟的配套单位，研制的高精度原子钟已达到了世界一流水平，实现了关键技术自主可控打破国外垄断，成为本次国家科技进步奖特等奖获奖单位之一。

作为国内唯一一家同时研制氢、铷、铯三种传统原子钟的单位，203所原子钟团队用16年的坚守与执著，在科技前沿取得了重大突破。该所研制的星载原子钟已广泛应用于北斗导航系统, 截止目前，这个团队已经顺利交付多台星载原子钟产品,装载于北斗导航卫星中。随着一次次原子钟搭载发射的成功，标志着我国已经完全掌握了星载原子钟的研制技术，完全摆脱了国外导航原子钟的束缚，也标志着我国已经成为完全自主建立导航定位系统的国家。

拥有信念 超越自我

承载着国家重大任务的使命和担当

原子钟是北斗卫星导航定位系统的心脏，其为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号，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。

原子钟是利用“磁共振”技术锁定的超精细能级跃迁频率来实现基准频率输出的，其工作原理涉及量子力学、电学、热学以及光学等学科，指标要求相当苛刻，在航天系统中属于研制难度最大的产品之一，向来受到“特殊关照”，被北斗导航卫星总师称之为“可歌可泣”的产品。

从北斗导航系统工程研制开始，203所作为传统的原子钟研制单位就瞄准国际一流的高性能高可靠的星载铷原子钟。李春景作为北斗二代导航卫星高精度星载铷原子钟研发课题的负责人，也是整个团队中的灵魂人物，这个已经在原子钟战线上奋战了14个年头瘦瘦的“大个子”一谈起北斗铷钟，他的话匣子就打开了：“要搞全球导航，首要条件就是要有原子钟！原子钟产品只有自己干一条路可走！所以从一开始原子钟的自主研发就成了北斗系统总师关注的焦点。”

攻关难度大，挑战异常艰巨，特别是在仿真和设计能力上，前进的道路困难重重。为了达到技术指标，203所原子钟团队从立项之初，项目团队带着必胜的信念，带着敢于担当和攻坚克难的勇气，反复摸索进行方案论证、技术攻关、试验验证，一路上困难重重，总体方案和电路一再调整优化。他们展开头脑风暴，开拓创新，通过不断技术创新和改进优化，实现了整机高信噪比信号的输出，实现了微波信号低噪声、高稳定性，达到了铷钟轻量化、小型化指标要求，并使得产品寿命大大提高，满足十几年的使用寿命要求……

一项项关键技术攻关、一个个技术创新，终于研发出了我国第一台符合要求的星载原子钟，拥有自主可控技术的星载铷原子钟并实现在轨工作，中国人终于有了自己的星载原子钟！

相比铷原子钟，星载氢原子钟是一个难度更大的产品，因为它的结构和原理更复杂，但是氢原子钟在重要技术指标，如频率稳定度、频率准确度及日漂移率等方面具有明显优势，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，是其可与世界其它三大导航系统相媲美的必要条件。

星载氢钟负责人李晶是被年轻同志笑称为氢钟研制的“鼻祖”，他在技术上较真且追求完美，正是他这种对技术永无止境的追求才研制出与国外媲美的高性能高可靠的星载氢钟。从星载被动氢钟关键技术攻关、电性件研制、鉴定件直到正样的定型，他带领项目团队用了近十年的时间，相继解决了一系列技术难题；温控系统的参数优化，电磁兼容性的改善，使星载氢钟长期频率稳定度大幅提高，增强了整机的环境适应性。最终攻克了包括指标优化，整机小型化、轻量化技术研究，空间环境适应性、可靠性与长寿命技术研究等关键技术难题。

2015年9月30日7点13分，星载氢原子钟跟随北斗二代二期试验卫星在西昌卫星发射中心成功发射，成为中国北斗导航卫星发展史上一个新的里程碑。目前，203所研制的星载氢钟在技术性能及可靠性上均达到国际同类产品水平，将首次大规模正式应用于北斗导航工程，为北斗三号新一代导航卫星的高性能、长寿命要求提供了有力保障。

集智攻关 攻坚克难

大幅度提升北斗导航性能指标

2012年，203所研制的高精度铷原子钟已达到了世界一流水平！但为了提高北斗导航定位精度和实现导航系统的长期自主运行能力，2015年，国内首台星载氢原子钟顺利交付卫星总体并随卫星成功上天且在轨运行正常，可使北斗系统的导航定位性能能力大幅提升，是我国星载原子钟领域和导航领域的又一个里程碑！

“铷原子钟在轨运行过程中会受到卫星轨道环境温度波动影响，将会直接影响导航系统定位精度所以要让原子钟对温度变化的敏感度降低。”“要控温，研发人员必须了解钟的全部特性，摸清它的‘脾气’。”目前的铷钟项目负责人杨同敏如是说。到整机调试阶段，需要有足够经验的设计师亲自“操刀”调试。

与生产其他电子产品不同，比如生产手机，有调试工人，按照工艺文件调试就可以了。铷原子钟调试则还需要工作人员掌握原子钟电路和物理系统的脾气， 知道怎么综合调整才能造出最好的铷原子钟，调试过程中从电子信号中看到物理本质，设计师掌握的技术细节越多，产品质量越好。到目前为止，星载铷原子钟每台钟都要从每个参数开始精细调试，尤其是真空环境下的调试，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。原子钟比瑞士的钟表更加精细，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。”李春景如是说。

星载原子钟，这个从开始立项就瞄准了打破国外垄断、步入世界前列的重点任务，无论是谁刚接手时都会有些挠头。面对研制中织乱如麻的问题，团队成员虽说早有心理准备，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，没有经验可借鉴。

理头绪，做实验，数不清多少个寄予期望的开头，也记不住多少个没有结果的结尾，产品交付进度节点必须保证， 日夜兼程的调试，大家就像上了发条的钟一样不知疲惫。铷钟项目负责人李春景对自己团队的经历如数家珍：“为了搞定技术难题，团队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。大家都有过这样的神奇经历，做梦经常会梦到原子钟联调的情景：如何接线、如何搭电路，甚至示波器上如何显示，如同真实的工作场景一般。有时，技术人员一觉醒来，立马翻身下了行军床，赶紧将梦中的情境付诸现实，困扰多日的问题终于解决了。李春景说道，对于我这个在学校都坐不住凳子的人，能这样玩命专注地干一件工作，我自己都是难以想像的。

笃志大我 舍弃小我

镌刻着原子钟人的坚毅和无悔

国产原子钟取得的成绩是令人瞩目的，荣誉背后，203所原子钟人的一腔坚毅和无悔，无私奉献和持之以恒，闪耀出一道又一道感动的光芒。

为了保证工作时间，李春景从刚刚入住的宽敞明亮北五环外的霍营新家，搬到了单位附近28平米的筒子楼。他安抚好妻子的强烈反对，带着尚未入托的孩子，李春景自己倒是自我感觉良好，坦然说道：“反正我经常加班，28平米够她们娘俩住的了。”小春景入了托，开始懂事了，看着不少小朋友经常是爸爸接送，爸爸陪玩，他终于忍不住向幼儿园老师告自己爸爸的状。当小春景哭诉的内容传到李春景耳中的时候，这个“不负责任”的爸爸眼角不禁有些湿润。“儿子，等我们的铷原子钟性能完全超越国外产品，我一定带你好好出去玩！”

作为加班狂人的李晶，节假日的多数时间，他的身影总会在办公室和调试间出现，十多年如一日。李晶经常和大家开玩笑说：“现在我都不敢生病，即便生了病也不敢请假。”的确，休假对李晶来说真的是一件挺奢侈的事，因为氢原子钟马上要上星，北斗导航系统需要他。妻子临产前，李晶和平日一样，上班前向妻子扔下一句“晚上不回来吃饭了，自己凑合吃点，如果有情况就给我打电话”，就匆匆赶到单位。孰不知妻子当天身体就不太舒服，特别希望李晶能多陪陪她，委屈的一天没吃饭，眼泪还是没忍住流了出来。等李晶再次回到家里，看着昨日桌上一点没少的饭菜，心中心疼不已，好一顿安慰劝解才使得妻子破涕为笑。

铷钟项目负责人杨同敏，也是蛮拼的。为了加班方便，杨同敏一家三口从长阳新房搬到了单位附近二十来平米简陋破旧的平房，一住就是好几年。别人问为他为什么，他的回答很简单：“住的近方便。”然而，像杨同敏这样的航天人，靠的就是可敬的家国情怀和无私奉献的航天精神，他们克服了工作和生活中一个又一个的困难。

现任星载氢钟负责人部英男一直就是大家眼中的“科技达人”，平时大家有什么电子产品的技术问题解决不了第一个想到的就是找他，他这种对技术天生的敏感和爱好成了科研中的一个优势，当起项目负责人得心应手。面对研制中纷繁复杂的技术难题和管理难题都被他睿智地解决了。作为家中的独子，在父亲生病住院期间也只请几天假陪陪父亲，回来便一头扎进实验室。

在原子钟研制团队中，几乎所有成员都有长期加班的经历，每个人都多多少少都有些经典的故事发生：有人把妻子不小心反锁在洗手间，有人忘了孩子看病的时间，有人约好的相亲由于加班被推掉，有人避堵车练成了长跑健将……只是这些故事的背后免不了都有些辛酸。

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