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航天科工二院203所北斗导航星载原子钟研制发展记

减小 增大 作者:操春燕 部英男 来源:本站通讯员 发布时间:2018-02-26
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 我们的“中国心”为世界时间定位

——航天科工二院203所北斗导航星载原子钟研制发展记

 

  中国航天事业经过60多年的发展,取得了辉煌的成就,而在世界航天大国的篇章中,一定会有那么一小段记录下为我国北斗卫星导航事业研制星载原子钟的故事。探索浩瀚宇宙的路将永无止境。今后,航天科工二院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,地上的原子钟人却很少有时间抬头去仰望星空,他们的骄傲都在身旁——低头躬身于眼前的美丽原子钟。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。

技术人员在测试

  在2017年1月8日举行的2016年度国家科学技术奖励大会上,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,研制的高精度原子钟已达到了世界一流水平,实现了关键技术自主可控打破国外垄断,成为本次国家科技进步奖特等奖获奖单位之一。

  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所原子钟团队用16年的坚守与执著,在科技前沿取得了重大突破。该所研制的星载原子钟已广泛应用于北斗导航系统, 截止目前,这个团队已经顺利交付多台星载原子钟产品,装载于北斗导航卫星中。随着一次次原子钟搭载发射的成功,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,也标志着我国已经成为完全自主建立导航定位系统的国家。

拥有信念,超越自我,承载着国家重大任务的使命和担当

  原子钟是北斗卫星导航定位系统的心脏,其为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号,决定了导航系统的导航定位、测速及授时的精度,是一个国家能否具备独立发展导航系统能力的核心技术之一。

  原子钟是利用“磁共振”技术锁定的超精细能级跃迁频率来实现基准频率输出的,其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,向来受到“特殊关照”,被北斗导航卫星总师称之为“可歌可泣”的产品。

  从北斗导航系统工程研制开始,203所作为传统的原子钟研制单位就瞄准国际一流的高性能高可靠的星载铷原子钟。李春景作为北斗二代导航卫星高精度星载铷原子钟研发课题的负责人,也是整个团队中的灵魂人物,这个已经在原子钟战线上奋战了14个年头瘦瘦的“大个子”一谈起北斗铷钟,他的话匣子就打开了:“要搞全球导航,首要条件就是要有原子钟!原子钟产品只有自己干一条路可走!所以从一开始原子钟的自主研发就成了北斗系统总师关注的焦点。” 

  攻关难度大,挑战异常艰巨,特别是在仿真和设计能力上,前进的道路困难重重。为了达到技术指标,203所原子钟团队从立项之初,项目团队带着必胜的信念,带着敢于担当和攻坚克难的勇气,反复摸索进行方案论证、技术攻关、试验验证,一路上困难重重,总体方案和电路一再调整优化。他们展开头脑风暴,开拓创新,通过不断技术创新和改进优化,实现了整机高信噪比信号的输出,实现了微波信号低噪声、高稳定性,达到了铷钟轻量化、小型化指标要求,并使得产品寿命大大提高,满足十几年的使用寿命要求……

  一项项关键技术攻关、一个个技术创新,终于研发出了我国第一台符合要求的星载原子钟,拥有自主可控技术的星载铷原子钟并实现在轨工作,中国人终于有了自己的星载原子钟!

  相比铷原子钟,星载氢原子钟是一个难度更大的产品,因为它的结构和原理更复杂,但是氢原子钟在重要技术指标,如频率稳定度、频率准确度及日漂移率等方面具有明显优势,可使北斗导航系统实现更高的定位精度、全球覆盖及较长的自主导航能力,显著降低北斗导航系统全球应用时的校时压力,是其可与世界其它三大导航系统相媲美的必要条件。星载氢钟负责人李晶是被年轻同志笑称为氢钟研制的“鼻祖”,他在技术上较真且追求完美,正是他这种对技术永无止境的追求才研制出与国外媲美的高性能高可靠的星载氢钟。从星载被动氢钟关键技术攻关、电性件研制、鉴定件直到正样的定型,他带领项目团队用了近十年的时间,相继解决了一系列技术难题;温控系统的参数优化,电磁兼容性的改善,使星载氢钟长期频率稳定度大幅提高,增强了整机的环境适应性。最终攻克了包括指标优化,整机小型化、轻量化技术研究,空间环境适应性、可靠性与长寿命技术研究等关键技术难题。2015年9月30日7点13分,星载氢原子钟跟随北斗二代二期试验卫星在西昌卫星发射中心成功发射,成为中国北斗导航卫星发展史上一个新的里程碑。

  目前,203所研制的星载氢钟在技术性能及可靠性上均达到国际同类产品水平,将首次大规模正式应用于北斗导航工程,为北斗三号新一代导航卫星的高性能、长寿命要求提供了有力保障。 

集智攻关,攻坚克难,大幅度提升北斗导航性能指标

   2012年,203所研制的高精度铷原子钟已达到了世界一流水平!但为了提高北斗导航定位精度和实现导航系统的长期自主运行能力,2015年,国内首台星载氢原子钟顺利交付卫星总体并随卫星成功上天且在轨运行正常,可使北斗系统的导航定位性能能力大幅提升,是我国星载原子钟领域和导航领域的又一个里程碑!

  “铷原子钟在轨运行过程中会受到卫星轨道环境温度波动影响,将会直接影响导航系统定位精度所以要让原子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’。”目前的铷钟项目负责人杨同敏如是说。到整机调试阶段,需要有足够经验的设计师亲自“操刀”调试。

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