论文部分内容阅读
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。
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定位和导航精度，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，我国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，在研制過程中北斗总师、“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
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。
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，不停地仿真、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。”
我国的星载铷原子钟终于在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问抬头去仰望星空，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。
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。
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定位和导航精度，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，我国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，在研制過程中北斗总师、“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
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。
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，不停地仿真、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。”
我国的星载铷原子钟终于在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问抬头去仰望星空，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。