专家解析新一代星载原子钟：揭秘北斗卫星的“中国心”

2月12日，我国采纳一箭双星办法，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，其技能指标达到了国际前辈水平。

长征三号乙运载火箭矗立在发射塔架上。

发射前，技能职员对火箭进行各项功能检讨。

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、六颗北斗三号环球组网卫星。

处于总装阶段的长征三号乙运载火箭。

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，他曾卖力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，其技能含金量之高，占领难度之大，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能之一。
”作为北斗二代导航卫星高精度星载铷原子钟研发卖力人，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。

据他先容，北斗卫星导航系统作为我国正在履行的自主研发、独立运行的环球卫星导航系统，其导航的基本事理为利用多个卫星与地球上某个物体之间的间隔来确定该物体的位置。
根据物理学事理，这个间隔可以用旗子暗记传播速率与韶光相乘而得到，而卫星导航所利用的旗子暗记传播速率，其数值是固定的，因而韶光测度越精确，间隔打算越精准，导航的位置定位就越准确。

因而，从这一角度来说，“卫星导航的核心便是韶光丈量”。
203所其余一款星载原子钟——氢原子钟的主管设计师王文明说，导航卫星上用来打算韶光的精密装置便是原子钟，它利用原子接管或开释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掌握，原子钟的计时精度可以达到每2000万年才偏差1秒，从而为卫星导航供应精确的韶光测度，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、铯三种元向来制造。
个中，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、技能难度较低、可靠性高档上风，为目前各国导航系统普遍采取；铯原子钟利用寿命短，但最大上风是具有低漂移特性。

“目前我国已经占领了铷原子钟、氢原子钟的关键技能，并已经在北斗导航卫星上利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佳构

任何想要进入203所原子钟实验室一探究竟的人，都须要用白大褂、口罩、头套、手套、鞋套全副武装起来，终极全身高下只能留双眼袒露在外，而这仍旧不足，为了最大可能地避免外界滋扰，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，新风系统昼夜满载事情，温度和湿度被严格掌握在一定范围，任何一台供卫星利用的原子钟在这里都像初生的婴儿一样平常，被小心呵护。

除了对生产环境哀求高，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革都可能影响到它进入太空的表现，因此，每到整机调试阶段，都须要有足够履历的设计师亲自“操刀”。

“例如，进入太空后，卫星轨道环境温度会产生颠簸，而原子钟可能受此影响而产生偏差，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，担当了星载铷原子钟的项目卖力人。
据杨同敏先容，为了降落原子钟对温度变革的敏感度，避免太空中产生偏差，“研发职员必须理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度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’，哀求必须绝对可靠。
”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佳构，须要具有工匠精神的工程师精心打造。
”

3、实现环球导航必须先有“中国心”

比较铷原子钟，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、环球覆盖及较长的自主导航能力，显著降落北斗导航系统环球运用时的校时压力。

但是由于氢原子钟构造和事理更繁芜，其研发难度也更大。
为了让北斗导航系统得到与美国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韶光，办理了温控系统的参数优化，电磁兼容性的改进等一系列技能难题，实现了氢原子钟指标优化，整机小型化、轻量化技能等研究，并终极运用于北斗导航卫星。

无论是氢原子钟还是铷原子钟，星载原子钟这个瞄准步入天下前列的重点任务，在立项之初都让人“挠头”——实验室环境哀求高，技能完备为国外垄断，研制过程毫无履历可借鉴，“虽说早有生理准备，但还是没有预见到攻关居然会如此困难，很多难题以前从未碰着。
”李春景说，“但他同时也复苏地认识到：要搞环球导航，紧张条件便是要有原子钟！
原子钟产品不能依赖入口，只有自己干一条路可走！
”

理头绪，做实验，昼夜兼程的调试，大家就像上了发条的钟一样不知怠倦。
“为了搞定技能难题，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，进行昼夜守护和记录数据。
”李春景说。
长年累月大脑高度集中于此，竟真涌现了梦中办理难题的神奇经历，“大家多少都碰着过梦到原子钟联调的情景。
”中国的北斗导航卫星所须要的优秀“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能性能及可靠性上均达到国际前辈水平，实现了星载原子钟关键技能自主可控，冲破了国外垄断，该所还为此在2017年得到国家科技进步奖特等奖。
仰望星空，险些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”将使我国北斗自主环球导航系统走入高性能行列的梦想变为实现。

（原标题《揭秘北斗卫星的“中国心”——专家解析我国新一代星载原子钟》，原作者詹媛。
编辑陆乐）