星載原子鐘

王之康

6月23日9時43分，西昌衛星發射中心。搭載著北斗三號最后一顆全球組網衛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，并準確進入預定的地球靜止軌道。

不久之后，作為四大全球衛星導航系統之一的北斗，將為全球用戶提供更加完備的時空信息服務。其中，與人們日常生活息息相關的，要數全天時、全天候、高精度全球定位導航授時服務了。這項服務的實現離不開一個核心裝置，即衛星的“心臟”——原子鐘。上世紀90年代，我國制定了北斗衛星導航系統“三步走”的發展戰略。星載原子鐘是導航衛星的關鍵技術。

通常，導航衛星上應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，因此被各國導航系統普遍采用。

當時，星載原子鐘技術僅為歐美少數科技強國掌握，在我國屬于技術空白。要建成完全自主可控的衛星導航系統，我國只能走自主研發的道路。但要實現從無到有的突破，其難度可想而知。

1997年，這個重擔落在了中國科學院精密測量科學與技術創新研究院（原武漢物理與數學研究所）研究員梅剛華的肩上。

“剛開始做的時候，我們的銣原子鐘的精度跟西方發達國家的差距有兩個數量級。”梅剛華告訴記者，“對銣原子鐘的壽命、可靠性和衛星環境適應性等，則完全沒有設計概念，差不多就是一片空白，只能下苦功夫，反復設計、試驗、改進，尋找最佳方案。”

從那時開始，梅剛華就帶領團隊一頭扎進了星載銣原子鐘技術研究工作中。此后的20多年間，抱著“讓北斗用上最好的鐘”的信念，梅剛華團隊相繼突破了星載銣原子鐘精度、小型化、壽命、可靠性和衛星環境適應性五大關鍵技術，研制出三代星載銣原子鐘，使我國星載銣鐘技術實現了從無到有、由有到精的跨越。如今，北斗三號衛星的每顆衛星都裝上了梅剛華團隊的星載銣原子鐘。已經投入使用的第三代產品——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，處于國際領先水平。

不過，梅剛華并沒有滿足于研究現狀。“我們正在研制新一代星載原子鐘，預期精度比甚高精度星載銣鐘更高。”幾乎與梅剛華團隊同時，一支來自中國科學院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。“氫鐘同時具備頻率穩定性好、漂移率小的特點，在主要保證精度的同時還能提高衛星的自主運行能力。”上海天文臺研究員帥濤說。目前，僅有中國的北斗衛星和歐洲的伽利略衛星同時配置了星載銣原子鐘和星載氫原子鐘。

據帥濤介紹，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，但從在軌綜合表現來看，我國星載氫原子鐘實現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星上天應用。它突破了多項關鍵技術，核心元器件全部國產化，實現了完全自主可控。即使氫原子鐘在太空中突發故障，也絲毫不用擔心。

“衛星設計了時頻生成與保持系統，可以實現主用原子鐘和備用原子鐘之間無縫切換，切換前后衛星時間變化小于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。”中國科學院微小衛星創新研究院副院長、北斗衛星總師林寶軍說，用戶完全察覺不到原子鐘的切換所帶來的導航定位信號改變。據了解，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，以適應下一代高集成度導航衛星發展的需要。

中國自主研發的空間主動型氫原子鐘。圖片|瞭望智

圖片|中國科學院上海天文臺

可以說，北斗能夠躋身四大全球衛星導航系統之列，甚至部分性能優于其他導航系統，最直接的原因就是一系列技術創新。

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，解決了制約北斗全球組網的瓶頸問題。研究人員還首次在導航衛星上采用大功率氮化鎵固態放大器，提高了信號質量。利用衛星自主診斷恢復技術，衛星在完全沒有地面干預的情況下，可以進行自主健康診斷、故障隔離和恢復等。不過，在林寶軍看來，技術創新固然重要，但還有兩個方面的創新，更值得關注和思考。

首先是理念的創新。專家表示，以往的衛星都是按照分系統設計，就是把一個衛星系統分成若干個分系統，包括結構、姿控、推進等，每個分系統都有主任設計師負責。

“分系統的好處是責任界定清楚、分工比較明確，但缺點也顯而易見，就是設計冗雜、可靠性低。”林寶軍說，“因此，我們提出了‘功能鏈的設計理念，從本質上實現了平臺內部的一體化設計，分為姿軌控、結構熱、電子學、載荷4個功能鏈，最大限度地完成了衛星內部各項資源的優化整合，提高了功能密度，提升了可靠性，大幅降低了成本。”

其次是觀念的創新。航天領域曾有個不成文的規矩，就是新技術使用不能超過30%，否則風險增大，系統不可控。但林寶軍認為，新技術不等于不可靠。而且，一般攻關一項航天技術要花10年左右時間，攻關成功后研制衛星又可能要10年，“這等于你用人家現在的技術，等你把衛星做出來，已是人家20年前的老技術了，肯定不行！”

所以，航天領域要突破傳統觀念，采用長板理論，大膽使用創新技術。“就好比銣原子鐘和氫原子鐘，要大膽發展、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。“創新是科技的靈魂，尤其是中科院的人，從骨子里就要能創新。”林寶軍指出，只有做創新的事，把創新和工程結合起來，才能夠實現跨越發展。

◎ 來源|中國科學報