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揭秘!北斗卫星导航系统的“心脏”是这样研发出来的
2022年05月15日21:32:34    133次阅读 [科技新闻]

仰望星空,北斗璀璨。2020年7月31日,中国北斗三号全球卫星导航系统正式开通。北斗系统的定位功能建立在时间的精准测量之上,原子钟被称为是导航卫星的心脏。梅刚华团队踔厉奋斗、呕心沥血,让这颗“心脏”生机勃勃。本版刊发著名作家黄传会报告文学新作,讲述梅刚华与北斗的故事。Mitbbs.com



▲梅刚华研究员在工作Mitbbs.com


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采访我国著名原子钟专家、中科院精密测量科学与技术创新研究院(简称精密测量院)的梅刚华研究员,我们却是先从文学聊起的。Mitbbs.com


“黄老师,我知道您是写报告文学的,我喜欢报告文学。”Mitbbs.com


“哦?”我有点儿意外。Mitbbs.com


“我读过徐迟的《歌德巴赫猜想》。”Mitbbs.com


“那是什么时候?”Mitbbs.com


“四十多年前,我还没有上大学。读了这篇文章,陈景润的故事,徐迟的文笔给我留下终生难忘的印象。”Mitbbs.com


我问:“是不是从那时候开始,您就想做陈景润那样的科学家?”Mitbbs.com


梅刚华笑了,“那么大的雄心壮志倒没有。不过,那篇文章对我下决心考大学起了很大作用。”Mitbbs.com


优秀的文学作品是能陶冶情操,激励人生的。徐迟那篇风靡一时的报告文学,激励了一代学子献身祖国的科学事业。梅刚华就属于这一代人。Mitbbs.com


梅刚华1955年出生于湖北黄陂县(现在的武汉市黄陂区),父母是县城里做竹器的工匠,小时候就喜欢动手动脑,帮大人干些简单的竹器活。读小学时和同伴一起去钓鱼,他的渔具全部是自制的,包括鱼竿和鱼篓。大一点了,他对无线电产生了兴趣,初中时就自己动手装了只矿石收音机,高中时已经能做便携式单管收音机了。1974年高中毕业后下乡当知青,到农村劳动锻炼,后来又在第一冶金建设公司当了两年工人。1978年考入武汉大学物理系。本科4年,研究生3年,学的都是半导体专业。Mitbbs.com


1985年,梅刚华硕士毕业,分配到中科院武汉物理与数学研究所(简称武汉物数所,精密测量院前身),开始接触原子钟。武汉物数所是专业化从事原子钟研究的单位,为我国原子钟技术发展做出过重要贡献。但在20世纪80年代中后期,由于国际国内形势变化,原子钟研究经历了一段困难时期。1987年,梅刚华转向基础研究,研究激光与原子束相互作用机理和技术,凭着这方面的研究成果获得了博士学位,当上了研究室副主任。10年的积淀,他练就了扎实的原子分子物理理论和实验功底。这是做原子钟研究必备的基本功。Mitbbs.com


20世纪90年代,我国北斗卫星导航系统工程立项,原子钟发展迎来了难得的机遇。这是因为,北斗系统的定位功能是建立在时间的精准测量之上的,按北斗工程总设计师孙家栋院士的说法,原子钟是导航卫星的心脏。做不出原子钟,北斗系统就建不成。Mitbbs.com


国家有关部门决策,立即开展星载原子钟技术研究。Mitbbs.com


通过激烈的竞争,武汉物数所拿到研究任务,便立即重建原子频标研究室,组建星载铷原子钟研究组。时任研究所所长叶朝辉院士亲自点将,由梅刚华出任研究室主任和研究组组长。Mitbbs.com


这是国内第一个星载原子钟国家重大项目。物数所作为抓总单位负责原子钟总体设计和物理系统研制,航天五院504所负责电路系统研制。Mitbbs.com


导航卫星用的星载原子钟,是原子钟中的极品。不仅精度要求高,还要满足小型化、低功耗、可靠性、寿命和卫星环境适应性的苛刻要求,技术难度极大。当时掌握星载铷原子钟技术的国家只有美国和瑞士。Mitbbs.com


梅刚华告诉我:“刚开始的时候,我们铷钟的精度跟西方发达国家比差了两个数量级,将近100倍。在可靠性、寿命、卫星环境适应性方面,更是连设计概念都没有,差不多是一片空白。”Mitbbs.com



▲梅刚华(左四)和团队成员一起分析星载铷钟测试数据Mitbbs.com


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铷原子钟的精度主要指频率稳定度,它直接与原子跃迁信号的强度相关。Mitbbs.com


铷原子钟是根据“光-微波双共振”原理设计的。原子信号的强弱与物理系统的两个主要部件相关,一个是激励光共振信号的光谱灯,一个是激励微波共振信号的微波腔。光谱灯的作用像抽水机一样,将原子从低能级抽运到高能级。水可以自动从高处流到低处,但铷原子钟中的高能级原子,却不能自动回到低能级,必须用微波场去激励,它才能下来。所以把光谱灯做好,上去的原子就多;把微波腔做好,下来的原子就多;上去和下来的原子都多,原子信号就强,原子钟的稳定度就高。对于铷原子钟设计而言,光谱灯和微波腔是两块硬骨头。Mitbbs.com


“我们的星载铷钟研究是从微波腔起步的,”梅刚华说。“微波腔设计有两个基本的要求。第一是体积要小,不然铷钟整机的体积下不来;第二是微波场的分布模式要好,不然原子信号就弱。当时国际上比较成熟的是传统的TE_011腔和TE_111腔,前者的体积过大,后者的场分布模式不太好,所以在1997年项目启动的时候,我们就决定做一种新的微波腔。”Mitbbs.com


为了少走弯路,费了很大劲,物数所请到国际著名原子钟研究单位瑞士天文台退休专家李·约翰逊来实验室做指导。Mitbbs.com


约翰逊根据文献和自己的经验,做出了两种新结构微波腔模型,一个叫作慢波螺旋腔,一个叫作分离环腔。但效果并不理想,腔的结构松散,找共振频率困难,产生的原子信号很弱。三个月合同期一到,他便走了。Mitbbs.com


看来只能靠自己了。Mitbbs.com


有人疑惑:连瑞士专家都做不出来,我们行吗?梅刚华有信心。Mitbbs.com


两种新结构腔相比,他觉得分离环腔更有优势,关键是如何把它从一个分离的、松散的结构变为一个一体化的刚性结构。多次尝试都不见效果。一天下午,他突然想到一种方案,来不及等工厂加工,说干就干!他找来一块铜片,在上面锉了几个槽,然后卷成一个管,再用铜皮包上没开槽的那一端,塞进一个金属圆筒。在仪器上一测量,马上就看到了共振信号。他将钟达、安绍锋几个骨干叫来,大家一看,都很兴奋。Mitbbs.com


趁热打铁。第二天,他到工厂加工了一个正式样件。再次测量,发现共振信号不仅还在,而且很强。短短两三天时间,一种新结构微波腔——梅刚华把它命名为开槽管微波腔——雏形就出来了。开槽管微波腔后来获得中国和美国专利授权,到现在仍然是精密测量院星载铷钟的主要设计特征。这种微波腔不仅体积小,场分布模式也很好,可以利用小体积原子气室获得高强度原子跃迁信号,这样就从根本上解决了铷原子钟高精度和小型化之间的矛盾。Mitbbs.com


铷光谱灯的设计原理并不复杂,就是通过无极放电,使铷原子蒸气发光。但原先的设计问题很多,根本上不了天。一是光强跳变,影响铷钟的频率稳定度;二是真空里发光不正常,限制铷钟的卫星环境适应性;三是灯泡中的铷消耗太快,制约铷钟的寿命。Mitbbs.com


“解决问题,要花大量时间找原因,原因找到了,问题就解决了一大半。”梅刚华说。Mitbbs.com


光强跳变的问题困惑了他们很长一段时间。最后梅刚华让博士生赵峰找来一台摄像机对着灯泡拍“电影”,终于弄清光强跳变是液化的“铷滴”在灯泡内表面“迁移”造成的。谱灯在真空中发光不正常的问题,他们通过大量实验,发现是由于灯泡散热不通畅,导致灯泡温度过高造成的。Mitbbs.com


灯泡玻璃材料试验持续了十年之久。他们让三个谱灯长期点亮工作,每个月测量一次灯泡中的铷量,积累了近十年的测量数据。根据这些数据进行计算,得到了精确的铷消耗模型,精度比国外高出六七倍。再根据这个模型,确定了适中的充铷量,既不会因为少了而影响铷钟的寿命,又不会因为多了而产生铷迁移现象,影响铷钟的性能。Mitbbs.com


十年是三千多个日日夜夜,几多辛苦,几多心血,只为拿到一个科学的设计数据。Mitbbs.com


一台高性能铷钟,光有好的物理系统还不行,电子学系统也要做好。铷钟的频率稳定度既与原子信号强度相关,也和电路的噪声相关。对于一般精度较低的铷钟,电路的设计是不太困难的,但要做极品铷钟,电路的噪声就必须压得很低。原子钟的电路实际上是一个链条,由多个模块组成。为了判定噪声来源,他们一个个模块去找,去诊断,这里面包含了大量的仿真、模拟、测试和试验工作。Mitbbs.com


解决了物理系统原子信号强度和电路降噪的问题,铷钟的短期稳定度就基本解决了,但长期稳定度还没解决。某种意义上长稳更重要,因为导航卫星用的主要是每天的稳定度。“影响长稳的主要因素是光频移和温度频移,”梅刚华介绍:“我们开始的做法有点治标不治本,总想通过选择工作点、加强温控等外部措施来解决,效果不好。于是就系统地研究如何将原子体系自身的频移降下来。这就要改变和优化很多设计参数,比如铷泡中充入的缓冲气体的种类、配比、压力等等。这些东西最好每次只改一样,不然你的判断就不一定准确。科研就是这样,没有捷径可走,必须老老实实去做,水滴石穿,水到渠成。”Mitbbs.com


一晃,8年过去了。2000年,梅刚华团队研制出国内第一台星载铷钟原理样机;2004年,又研制出星载铷钟电性能样机,技术指标基本满足北斗系统的应用需求。Mitbbs.com


但是,真正的考验还在后头。Mitbbs.com



▲甚高精度星载铷原子钟。这是中科院精密测量科学与技术创新研究院研制的第三代星载铷钟,2018年装备北斗三号卫星。Mitbbs.com


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2004年,北斗二号系统星载铷钟进入工程样机研制阶段。Mitbbs.com


孙家栋院士一直在关注着武汉物数所,亲自带专家组前来考察。Mitbbs.com


孙家栋握着梅刚华的手:“刚华,我知道你们这几年拼得很苦啊!”Mitbbs.com


梅刚华十分感动,说:“孙老,有您这句话,所有的苦都值得。”Mitbbs.com


孙家栋说:“干北斗就需要有这么一股劲。有时候,看不到前方的曙光,但是咬牙坚持下去,可能就成功了。”Mitbbs.com


听了汇报,看了实验室,孙家栋对梅刚华团队几年来的努力和取得的成果,给予充分肯定。Mitbbs.com


忽然,孙家栋停顿了十几秒,而后话锋一转:“恕我直言,武汉物数所的原子钟研究,比我想象的要好得多的多,但工程化能力,比我想象的要差得多的多。”Mitbbs.com


全场寂静。Mitbbs.com


包括时任所长詹明生和梅刚华在内,武汉物数所所有在场的人都怔住了,他们像是被猛烈地抽了一鞭子。Mitbbs.com


孙家栋说的工程化,是指航天产品研制生产要遵循一套严格的流程和规范。要生产出合格的航天产品,必须编写全套设计、工艺文件;装配、调试和测试现场必须满足严格的洁净度、温湿度要求,人员上岗要培训,要有资质;要编制试验大纲和试验细则,按规范完成振动、冲击、热循环、热真空等全套环境试验;所有过程都要翔实纪录,做到可追踪、完全受控。所有这些,当时的武汉物数所几乎都不具备。Mitbbs.com


冷静下来一想,孙家栋是一言中的,物数所团队研究功底扎实是强项,但工程化能力弱,却是不争的事实。Mitbbs.com


怎么办?紧急动员,亡羊补牢。Mitbbs.com


詹明生决定立即组建技术发展处和质量办公室两个管理部门,开始建设质量保证体系。Mitbbs.com


梅刚华带队去航天五院和八院参观、学习,回来后立即按航天单位的标准改造实验室。不久,一条符合航天规范的铷钟生产线雏形就出来了。他请来航天八院的专家,指导团队编写设计、工艺和试验文件。中国科学院派出监理组,对研制过程进行全程监理。“那段时间是最紧张的,整个团队夜以继日地工作,从没休过假,我自己则是累得头发一块一块地掉。”梅刚华说。Mitbbs.com


仅用了两年多时间,物数所不仅完成了星载铷钟初样和飞行件两个阶段的研制任务,实现了首台铷钟飞行件上天,质量体系同时也建立起来。质量控制能力实现了三级跳,总体单位对物数所产品质量控制的评价从“基本不受控”变为“基本受控”,再变为“受控”。Mitbbs.com


2007年,北斗二号系统星载铷钟进入批量正样产品研制阶段,研制过程仍然充满艰辛。最痛苦的是技术“归零”。Mitbbs.com


“归零”是航天行业一个专用术语,指产品出现故障以后,要按照“定位准确、机理清楚、措施有效、故障复现、举一反三”的要求,将故障现象和影响完全排除,保证产品上天执行任务时万无一失。Mitbbs.com


梅刚华讲了一个“归零”的故事。有一次,一台产品交付后出现异常,他们将产品取回做了处理后交给总体,可一通电又出现同样的问题。于是他们沉下心来一个个部件、一个个元器件仔细排查,最后发现是一个电子器件装配方式不合理,属于批次性质量问题。他们将那个批次的产品全部召回,问题是彻底解决了,可就是解决这样一个看似简单的问题,却花掉他们半年的精力。Mitbbs.com


2012年,北斗二号卫星导航系统全面建成。精密测量院等三家单位研制的星载铷钟,为我国独立自主建成北斗二号系统发挥了关键作用。精密测量院的星载铷钟,无论是精度还是可靠性,都受到总体部门的高度评价。Mitbbs.com


梅刚华只有短暂的兴奋。他知道,北斗二号系统星载铷钟的性能,只相当于美国GPS系统铷钟20世纪90年代的水平。而眼下,GPS已经用上了新一代铷钟,技术指标又提升了差不多一个数量级。Mitbbs.com


2009年,定位和授时精度更高的北斗三号全球系统工程正式立项。Mitbbs.com


北斗三号上什么样的铷钟?多数人的意见是上高精度铷钟。高精度铷钟的技术指标比北斗二号卫星铷钟高,但是跟GPS新一代铷钟比,仍然差了一大截。Mitbbs.com


梅刚华的意见是高精度铷钟和甚高精度铷钟同时上,其中甚高精度铷钟的指标要完全对标GPS的新一代铷钟。在项目评审会上,他掷地有声地表示:我们中国北斗的目标是建成一流的北斗,世界的北斗,所以必须用上最好的钟!Mitbbs.com


工程总体强有力地支持了梅刚华的意见。2011年,高精度铷钟和甚高精度铷钟两个攻关项目同时启动。一种技术同时布局两个项目,这在北斗系统技术攻关中是独一无二的。Mitbbs.com


梅刚华带领团队,又开始了新一轮的拼搏。如同参加一场马拉松赛,前一段赛程,他们一直在努力跟跑对手;这一段赛程,他们将发起冲刺,要追平乃至超越对手。Mitbbs.com


他们对铷光谱灯的发光光谱做了更深入的研究,发现光谱谱线轮廓普遍存在变形和增宽。它对稳定度的影响,如果是一般的铷钟,完全可以忽略;但是要做世界上最好的铷钟,这个影响将是颠覆性的。通过反复试验,他们终于找到了解决办法。Mitbbs.com


微波腔设计水平也上了新台阶。以前,靠的是经验设计,哪怕修改一个设计参数,都要花上几个星期的时间反复验证,费时费力。这一次,他们利用计算机软件进行仿真设计,所有参数设计一次到位。很快,各种尺寸的微波腔设计出来了,微波场分布模式也得到进一步改善。Mitbbs.com


他们系统研究了铷原子跃迁谱线的各种频移机制和控制方法,更换了气体配方,优化了工作参数,使光频移、温度频移、微波功率频移和磁场频移减小了一个数量级,为改善铷钟的长期稳定度创造了条件。Mitbbs.com


高精度星载铷钟于2013年研制成功,2015年开始装备北斗三号卫星。Mitbbs.com


甚高精度星载铷钟于2016年研制成功,2018年开始装备北斗三号卫星。Mitbbs.com


2020年7月31日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通。在北斗三号系统全部35颗卫星上,每颗卫星都装载有精密测量院的铷钟。Mitbbs.com


甚高精度铷钟的短期频率稳定度达到7×10^-13/τ^1/2,天稳达到3×10^-15,超过了GPS最新一代铷钟。测试结果发表后,甚高精度铷钟被国外同行认为是目前世界上稳定度最高的铷原子钟。Mitbbs.com


甚高精度铷钟上天,标志北斗系统用上了最好的星载铷钟。梅刚华没有食言。Mitbbs.com


为了这一天,梅刚华和他的团队呕心沥血、踔厉奋发。他们用20多年的时间,走完了外国人40多年走过的路,使我国的星载原子钟技术打破了西方国家的垄断和封锁,实现了从无到有、由有到强的跨越,使北斗系统有了强大的心脏。他和团队因此而先后获得十余项国家和省部级奖励和荣誉,其中包括国家科技进步特等奖、国家技术发明二等奖和全国创新争先奖。Mitbbs.com


有人形容梅刚华与北斗的关系是一见钟情。他热爱他的原子钟研究,因原子钟研究与北斗结下不解情缘,目标既定,矢志不移。这种专注、执着,支撑他一路走来。Mitbbs.com


采访结束时,我问梅刚华:“铷原子钟技术走到头了吗?”Mitbbs.com


“没啊,”他平静地说:“我们最近研制的新型铷钟原理样机,短期稳定度比甚高精度铷钟还要高3倍多,接下来我们会重点解决长期稳定性问题。”他们还要继续走下去。Mitbbs.com


蓦地,我心中不由得升腾起一种自豪感,为梅刚华和他的团队,更为他们永无止境的探索和创新精神!Mitbbs.com


作者:黄传会 Mitbbs.com

 
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