■本報記者 王之康

6月23日9時43分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。搭載著北斗三號最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星的長征三號乙運載火箭，伴隨著火光、煙霧和轟鳴聲，飛離塔臺，沖向云霄，并準確進入預(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，將為全球用戶提供更加完備的時空信息服務(wù)。其中，與人們?nèi)粘Ｉ�活息息相關(guān)的，要數(shù)全天時、全天候、高精度全球定位導(dǎo)航授時服務(wù)了。

這項服務(wù)的實現(xiàn)離不開一個核心裝置，即衛(wèi)星的“心臟”——原子鐘。

從無到有、由有到精

上世紀90年代，我國制定了北斗衛(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，制造和使用成本也最低，因此被各國導(dǎo)航系統(tǒng)普遍采用。

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

1997年，這個重擔(dān)落在了中國科學(xué)院精密測量科學(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。

“剛開始做的時候，我們的銣原子鐘的精度跟西方發(fā)達國家的差距有兩個數(shù)量級。”梅剛?cè)A告訴《中國科學(xué)報》，“對銣原子鐘的壽命、可靠性和衛(wèi)星環(huán)境適應(yīng)性等，則完全沒有設(shè)計概念，差不多就是一片空白，只能下苦功夫，反復(fù)設(shè)計、試驗、改進，尋找最佳方案。”

從那時開始，梅剛?cè)A就帶領(lǐng)團隊一頭扎進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團隊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，使我國星載銣鐘技術(shù)實現(xiàn)了從無到有、由有到精的跨越。

如今，北斗三號衛(wèi)星的每顆衛(wèi)星都裝上了梅剛?cè)A團隊的星載銣原子鐘。已經(jīng)投入使用的第三代產(chǎn)品——甚高精度星載銣原子鐘，其精度可以達到每天100億分之5秒，處于國際領(lǐng)先水平。

不過，梅剛?cè)A并沒有滿足于研究現(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。”

從銣鐘到氫鐘

幾乎與梅剛?cè)A團隊同時，一支來自中國科學(xué)院上海天文臺（以下簡稱上海天文臺）的科研團隊也投入到星載原子鐘的研制行列當(dāng)中。不過，他們研制的是另外一種原子鐘——星載氫原子鐘。

其實，從上世紀七八十年代開始，上海天文臺就開始了地面氫原子鐘的研制工作，這也為2002年我國首臺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)。

“氫鐘同時具備頻率穩(wěn)定性好、漂移率小的特點，在主要保證精度的同時還能提高衛(wèi)星的自主運行能力。”上海天文臺研究員帥濤告訴《中國科學(xué)報》。

目前，僅有中國的北斗衛(wèi)星和歐洲的伽利略衛(wèi)星同時配置了星載銣原子鐘和星載氫原子鐘。

據(jù)帥濤介紹，我國研制的星載氫原子鐘與歐洲的相比，兩者地面測試性能相當(dāng)，但從在軌綜合表現(xiàn)來看，我國星載氫原子鐘實現(xiàn)的用戶測距誤差更小。

2015年9月，由上海天文臺研制的我國首臺星載氫原子鐘隨北斗三號衛(wèi)星上天應(yīng)用。它突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，核心元器件全部國產(chǎn)化，實現(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)計了時頻生成與保持系統(tǒng)，可以實現(xiàn)主用原子鐘和備用原子鐘之間無縫切換，切換前后衛(wèi)星時間變化小于20皮秒（1皮秒等于1萬億分之1秒），用戶測距誤差小于0.01米。”中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副院長、北斗衛(wèi)星總師林寶軍說，用戶完全察覺不到原子鐘的切換所帶來的導(dǎo)航定位信號改變。

據(jù)了解，上海天文臺研究團隊下一步還將在保證星載氫原子鐘性能指標的同時，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。

三個“創(chuàng)新”

可以說，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)星在完全沒有地面干預(yù)的情況下，可以進行自主健康診斷、故障隔離和恢復(fù)等。

不過，在林寶軍看來，技術(shù)創(chuàng)新固然重要，但還有兩個方面的創(chuàng)新，更值得關(guān)注和思考。

首先是理念的創(chuàng)新。專家表示，以往的衛(wèi)星都是按照分系統(tǒng)設(shè)計，就是把一個衛(wèi)星系統(tǒng)分成若干個分系統(tǒng)，包括結(jié)構(gòu)、姿控、推進等，每個分系統(tǒng)都有主任設(shè)計師負責(zé)。

“分系統(tǒng)的好處是責(zé)任界定清楚、分工比較明確，但缺點也顯而易見，就是設(shè)計冗雜、可靠性低。”林寶軍說，“因此，我們提出了‘功能鏈’的設(shè)計理念，從本質(zhì)上實現(xiàn)了平臺內(nèi)部的一體化設(shè)計，分為姿軌控、結(jié)構(gòu)熱、電子學(xué)、載荷四個功能鏈，最大限度地完成了衛(wèi)星內(nèi)部各項資源的優(yōu)化整合，提高了功能密度，提升了可靠性，大幅降低了成本。”

其次是觀念的創(chuàng)新。航天領(lǐng)域曾有個不成文的規(guī)矩，就是新技術(shù)使用不能超過30%，否則風(fēng)險增大，系統(tǒng)不可控。但林寶軍認為，新技術(shù)不等于不可靠。

而且，一般攻關(guān)一項航天技術(shù)要花10年左右時間，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，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)觀念，采用長板理論，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、使用性能指標更高的氫原子鐘，同時也要裝備銣原子鐘來保底，做到萬無一失。”林寶軍說。

“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，才能夠?qū)崿F(xiàn)跨越發(fā)展。