■本報記者 王之康
6月23日9時43分，西昌衛星發射中心。搭載著北鬥三號最後一顆全球組網衛星的長徵三號乙運載火箭，伴隨著火光、煙霧和轟鳴聲，飛離塔臺，衝向雲霄，並準確進入預定的地球靜止軌道。
不久之後，作為四大全球衛星導航系統之一的北鬥，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。
從無到有、由有到精
上世紀90年代，我國制定了北鬥衛星導航系統「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，製造和使用成本也最低，因此被各國導航系統普遍採用。
當時，星載原子鐘技術僅為歐美少數科技強國掌握，在我國屬於技術空白。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《中國科學報》，「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，反覆設計、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。此後的20多年間，抱著「讓北鬥用上最好的鐘」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，研製出三代星載銣原子鐘，使我國星載銣鍾技術實現了從無到有、由有到精的跨越。
如今，北鬥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，處於國際領先水平。
不過，梅剛華並沒有滿足於研究現狀。「我們正在研製新一代星載原子鐘，預期精度比甚高精度星載銣鍾更高。」
從銣鍾到氫鍾
幾乎與梅剛華團隊同時，一支來自中國科學院上海天文臺（以下簡稱上海天文臺）的科研團隊也投入到星載原子鐘的研製行列當中。不過，他們研製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製工作，這也為2002年我國首臺星載氫原子鐘的誕生及其之後的工程化研製奠定了深厚的基礎。
「氫鍾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告訴《中國科學報》。
目前，僅有中國的北鬥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，我國研製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，由上海天文臺研製的我國首臺星載氫原子鐘隨北鬥三號衛星上天應用。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，切換前後衛星時間變化小於20皮秒（1皮秒等於1萬億分之1秒），用戶測距誤差小於0.01米。」中國科學院微小衛星創新研究院副院長、北鬥衛星總師林寶軍說，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。
三個「創新」
可以說，北鬥能夠躋身四大全球衛星導航系統之列，甚至部分性能優於其他導航系統，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，還有基於相控陣的Ka星間鏈路技術，解決了制約北鬥全球組網的瓶頸問題。研究人員還首次在導航衛星上採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幹預的情況下，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、載荷四個功能鏈，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，新技術不等於不可靠。
而且，一般攻關一項航天技術要花10年左右時間，攻關成功後研製衛星又可能要10年。「這等於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，採用長板理論，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，從骨子裡就要能創新。」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。
《中國科學報》 (2020-06-24 第1版 要聞)