揭秘北斗“中国心”：专家解析新一代星载原子钟

长征3b站在塔架上。石晓摄影/亮片

发射前，技术人员对火箭进行了各种功能检查。石晓摄影/亮片

北斗导航卫星上的铷原子钟。图为中国航天科技集团公司第二研究院203所提供

Cz-3(和远征1号的上层)成功发射了第五和第六颗北斗-3全球网络卫星。新华社(梁克彦)

长征3b处于最后组装阶段。石晓摄影/亮片

2月12日，中国以一箭双星的形式成功发射了北斗三号的第五、六颗组网卫星。这两颗卫星都装有中国航天科技集团公司第203研究所研制的高精度铷原子钟。作为中国自主研发的星载原子钟，其技术指标达到国际先进水平。

随着北斗三号第五和第六颗导航卫星的成功发射，李春景和他的团队一起鼓掌庆祝。作为203个原子频率标准研究室的副主任，他负责开发高精度星载铷原子钟，这是北斗三号导航卫星的一个重大项目。他的团队开发的星载铷原子钟被认为是北斗二号导航卫星开发中最困难的产品之一。其技术含金量高，难以克服。北斗导航卫星的总设计师谢军曾经说过，它的发展过程是“史诗般的”。那么，什么样的钟是原子钟？卫星导航和它有什么关系？

1.原子钟是导航卫星的“心脏”

“作为导航卫星的‘心脏’，星载原子钟决定导航系统的导航定位、速度测量和计时的准确性。拥有自主开发导航系统的能力是一个国家的核心技术之一。”作为北斗第二代导航卫星高精度星载铷原子钟研发的负责人，李春景已经在原子钟发展的前沿战斗了14年。当谈到星载原子钟时，他的话匣子打开了。

据他介绍，北斗卫星导航系统是一个独立开发和独立运行的全球卫星导航系统，正在中国实施。它的基本导航原理是利用多个卫星和地球上的物体之间的距离来确定物体的位置。根据物理学原理，该距离可以通过将信号传播速度乘以时间来获得，而卫星导航中使用的信号传播速度是固定的，因此时间测量越精确，距离计算越精确，导航位置定位越精确。

因此，从这个角度来看，“卫星导航的核心是时间测量”。其他203个卫星原子钟(氢脉泽)的总设计师王文明说，导航卫星上用来计算时间的精密设备是原子钟，它利用原子吸收或释放能量到时间时发出的电磁波。由于这种电磁波非常稳定，并受到一系列精密仪器的控制，原子钟的计时精度可达到每2000万年1秒的误差，从而为卫星导航提供精确的时间测量，卫星导航也被称为导航卫星的“心脏”。

目前，星载原子钟分为氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟，分别由氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟组成。其中，氢脉泽的稳定性指数最好，但研制难度也最高。铷原子钟具有体积小、重量轻、功耗低、技术难度低、可靠性高等优点，目前广泛应用于各国的导航系统中。铯原子钟的使用寿命很短，但它们最大的优点是低漂移特性。

“目前，中国已经攻克了铷原子钟和氢原子钟的关键技术，并采用这两种原子钟匹配的方案在北斗导航卫星上测量时间。”李春景说。与此同时，203个研究所也在船上建立了一个铯原子钟小组，并正在进行开发。他们也有望成为未来北斗导航卫星的“心脏”。

2、当之无愧的高科技工艺精品

任何想进入203个原子钟实验室了解发生了什么的人都需要全副武装，带白大褂、面具、头罩、手套和鞋套。最终，他的整个身体只能暴露在外。然而，这仍然不够。为了尽可能避免外界的干扰，进入实验室仍然需要通过一条被强风扫过的走廊来清除他身体上的灰尘。在实验室中，新风系统日夜满负荷工作，温度和湿度严格控制在一定范围内。任何卫星用原子钟在这里都像新生婴儿一样，受到精心保护。

除了对生产环境的高要求外，星载原子钟的调试也是一项“繁重”的工作。原子钟非常“精密”，任何微小的参数变化都可能影响它在太空中的性能。因此，需要有足够经验的设计人员在整机调试阶段亲自“操作刀具”。

例如，进入太空后，卫星轨道的环境温度会波动，原子钟可能会受此影响而产生误差，从而直接影响导航系统的定位精度杨同民说，继李春景之后，他成为了卫星上铷原子钟的项目负责人。根据杨同民的说法，为了降低原子钟对温度变化的敏感度并避免空间误差，“研究人员必须了解这种原子钟的所有特性，找出它在电路和物理系统中的“脾气”，然后才能知道如何通过综合调整制造出最好的铷原子钟。”

“一旦原子钟升到天空，它将被通电并运行，直到它的‘寿命结束’。它必须绝对可靠。”李春景说。在他看来，“原子钟是一件当之无愧的高科技精致工艺品，需要工程师们以精湛的工艺精神精心打造。”

3.要实现全球导航，首先要有一颗“中国心”

与铷原子钟相比，氢脉泽于2018年1月随北斗三代的第三和第四颗星飞入太空，可使北斗导航系统实现更高的定位精度、全球覆盖范围和更长的自主导航能力，显著降低北斗导航系统在全球应用的时间压力。

然而，由于氢脉泽的结构和原理更加复杂，其研发也更加困难。为了使北斗导航系统获得可与美国全球定位系统、欧盟伽利略系统和俄罗斯三代全球导航卫星系统相媲美的能力。车载氢脉泽团队也花了近十年时间解决了一系列技术问题，如温度控制系统的参数优化和电磁兼容性的改善。实现了氢脉泽指数优化、整机小型化和轻量化的研究，并最终应用于北斗导航卫星。

无论是氢脉泽还是铷原子钟，星载原子钟这一旨在进入世界前沿的关键任务，在项目开始时就被“抓伤”。实验室环境要求苛刻，技术完全被外国垄断，开发过程没有经验可借鉴。“虽然我已经做好了准备，但我没想到解决这个问题会如此困难，许多问题以前从未遇到过。”李春景说，“但与此同时，他也清楚地意识到全球导航的首要要求是拥有原子钟！原子钟产品不能依赖进口，它们只有一条路可走！”

经过日以继夜的整理、实验和调试，每个人都累得像钟表一样。“为了解决这些技术问题，实验和验证是在白天和晚上通过连接轴来进行的。在环境测试期间，团队成员轮班工作，日夜守护和记录数据。”李春景说。多年来，大脑高度集中在这一领域，实际上有一种在梦中解决难题的神奇体验。"每个人或多或少都经历过一起调谐原子钟的梦想."中国北斗导航卫星所需的优秀“中国心”就是在这样的困难条件下独立开发的。

今天，星载铷原子钟和203研制的氢脉泽在技术性能和可靠性上已达到国际先进水平，实现了对星载原子钟关键技术的独立控制，打破了国外垄断。为此，该研究所还获得了2017年国家科学技术进步奖。仰望星空，几乎每颗北斗导航卫星都装有203个原子钟。这些“中国人的心”将实现中国北斗自主全球导航系统进入高性能行列的梦想。

(这位是记者詹元，这位是记者的英文男吴伟)