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我们的“中国心”让北斗这张国家名片更加闪耀

减小 增大 作者:航天203所 吴巍 来源:本站通讯员 发布时间:2017-02-06

我们的“中国心”让北斗这张国家名片更加闪耀

——记国家科技奖进步特等奖获得者航天科工二院203所北斗铷原子钟团队

  近期,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,成为本次国家科技进步奖特等奖获奖单位之一。

  203所北斗铷原子钟团队用15年的坚守与执著,在科技前沿取得了重大突破。这个团队为北斗二号卫星交付了13个批次26台自主研制的星载原子钟,创造了所有批次零故障的运行记录,实现了卫星关键部件的自主可控,达到国际先进水平。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,使我国已经成为继美国、俄罗斯之后完全自主建立导航定位系统的国家,扭转了我国核心技术受制于人的被动局面,实现了从跟跑者到领跑者的转变。

关键核心技术掌控在手

  星载原子钟是卫星导航定位系统的核心,为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号。其输出的时间频率信号的稳定性直接决定着定位和导航精度,也决定着在无地面监测站进行同步校准情况下,其自主提供高精度时间信号的能力。由于其重要的战略地位,国外一直对中国实行禁售。

   “要搞全球导航,首要条件就是要有原子钟!可现实却很残酷,我们国家在搞北斗之前原子钟技术非常薄弱,原子钟产品全靠进口。进口钟不仅价格昂贵,而且关键技术掌握在外国人手里,将使北斗系统潜伏巨大安全隐患,原子钟产品只有自己干一条路可走!作为北斗二代导航卫星高精度星载铷原子钟负责人李春景介绍道。

打破国外限制的争气工程

  星载铷原子钟是北斗二代导航卫星研制难度最大的产品之一,原子钟的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。作为关键技术的“含金量”很高,也是研制历程最坎坷的产品之一,在研制过程中北斗总师、“两弹一星”功勋孙家栋老总曾多次亲临203所视察铷原子钟研制情况。他坚定地说“我们自己的导航卫星一定要用我们自己研制的原子钟!”

  高精度星载铷原子钟是北斗二代二期的核心部件,关系到整个卫星系统导航定位的精度,铷原子钟技术难度非比寻常,要在短时间内完成关键技术攻关,指标要求之高,挑战异常艰巨,前方的道路困难重重,但这是一项打破国外限制的争气工程,再苦再难也要向前冲。203所将北斗铷原子钟工程作为专项工程,重中之重。为铷原子钟组配备精兵强将,只要项目组有需求,所里就积极协调进行配备,全力以赴满足他们的需求。

像上了发条的“钟”一样连轴转

  攻关难度大,挑战异常艰巨。做铷原子钟是项非常“熬人”的工作,为了保证24小时不间断地测试,经常是白天调试,晚上就盯在测试仪器前,观察数据,一测就是一夜时间。在日夜兼程进行调试的阶段,大家就像上了发条的“钟”一样连轴转。人的精力是有限的,但拼搏精神可以创造无限。项目负责人李春景对自己团队的经历如数家珍:“头一次体验三天三夜不合眼,那种上眼皮如同坠了铅的感觉记忆犹新。没想到有了头一回,还有第二回、第三回,几次测试节点和交付节点前必须完成任务,发射进度容不得你有半点含糊。就是这种执着的精神,打下了攻坚战,国产铷原子钟问世,并解决了寿命评估、长期稳定度测试等问题。

   “为了搞定微波信号温度系数、伺服系统稳定性等技术难题,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,立马翻身下了在办公室里的行军床,赶紧将梦中的情境付诸现实,困扰多日的问题终于解决了。2005年,203所交付了我国首批两台星载铷原子钟工程化初样鉴定机,标志着我国原子钟自主化迈出了一大步。

将每个细节做到极致

  在项目攻关阶段,微波稳定性一调就是十几天,不停的仿真、试验论证、做温度试验,既要保证可靠性,还要保证性能优良。铷原子钟目前的性能指标已经接近了极限,想再提高一点非常非常困难。测试过程中需要特别精细,不能容忍任何性能上的缺陷。他们通过计算机进行仿真,再将仿真参数拿到电路系统上,看调试结果与仿真结果是否能达到预期效果,并在温度变化范围内鉴定稳定性,观察温度变化与微波功率的变化情况,温度每变化一度,微波功率发生变化,最终使微波功率温度稳定性提高,一遍又一遍摸索参数,进行仿真,得到解决。“我们必须把每一个细节做到极致,力争最优的性能指标。” 为了保障更多的工作时间,两任项目负责人李春景和杨同敏,都是从刚刚入住的宽敞明亮的新家,搬到了单位附近的筒子楼,家人埋怨,他们顶住重重压力,坦然说道,“住得近方便,反正我经常加班,房子够她们娘俩住得了。”

  后续项目负责人杨同敏介绍道。我国的星载铷原子钟在2007年上天服役,中国人终于有了自己的原子钟!不靠任何人,掐住北斗脖子的手终于被砍掉了!目前,我国自主的星载铷原子钟不只可以用,还超过了欧洲水平,达到了世界一流水平。

 以工匠精神精心打造原子钟

  “铷原子钟在宇宙里跟随卫星转动时温度会变化,会直接影响定位精度,所以要让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’。”杨同敏说,“一些情况下,我们必须要设计高精度的控温系统,把温度控制住。这要从温度敏感组件入手,甚至要定位到温度敏感器件。而频率稳定度表征了原子钟频率波动的大小,决定了某一时刻频率的不确定性,是导航系统定位误差的决定性因素。

  铷原子钟调试需要技术人员掌握原子钟电路和物理部分的性能, 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。2012年,203所研制的高精度铷原子钟已达到了世界一流水平!为组网星密集发射布网打下坚实基础。原子钟的天稳度达到了5×10-14,定位精度10米,测速精度达到了每秒0.2米,授时精度50纳秒。

  为了提高北斗导航的定位精度,实现导航系统的长期自主运行能力,2015年,203所研制的国内首台星载氢原子中顺利交付卫星总体,并随卫星成功上天,而且在轨正常运行,这是我国星载原子钟和导航领域的又一重要里程碑。

  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所奋斗的脚步不会停止,将研制更加精准的原子钟,向更高科技高峰迈进。北斗在高高的太空中遨游,原子钟人却很少有时间抬头去仰望星空,他们在低头躬身于眼前的美丽原子钟,让中国的北斗成为世界上最精最准最稳的导航定位系统。不久的将来,北斗导航系统建立完毕后,每个国人将会切身感受到祖国的强大。


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