中国自主卫星导航系统的建设于1994年正式立项，经过二十多年建设者们辛勤的努力和无私的付出，“北斗”系统作为中国自主卫星导航系统的“名片”跻身世界高科技成就之林，尤其是近些年，北斗导航系统“火山喷发式”的进步，让中国终于可以挺直腰板“叫板”美国的GPS了。北斗的诞生与进步，是中国现代科技强大实力的缩影，同时也是北斗精神的有力彰显。然而，在北斗诞生之前的时代，我们却只能依赖美国GPS系统提供的服务，自己的喉咙被他人攥在手中。回首北斗成功路上的披荆斩棘，一幅壮丽的画卷在我们眼前徐徐展开，其中既有学习也有赶超，既有苦难更有辉煌。

第四节 关键技术创新

在引入标准时间之前，世界上每个使用时钟的城市都会根据当地的太阳位置设置其官方时间（例如中国的日晷）。但是随着工业的发展，旅游潮在欧洲慢慢兴起。在英国的长途铁路旅行开始之后，太阳时会使得火车旅客必须不断地重新设置自己的时钟以保持和当地时间的一致。为了解决这一问题，英国于1847年制定了格林威治标准时间，后来又引入了“世界时（UT）”来替换格林威治标准时间。后来，人们发现太阳的起落，即地球的自转并没有我们想象地那样规律，因此人们经常广播经过不同标准计算的世界时并进行广播时间。此时人们就想，没有更准确的计时方式了嘛。好在人们测量得知了原子振动频率的高精确度并由此提出了“协调世界时（UTC）”，我们才得以精确规划我们现在的时间。在计时过程中，记录原子振动频率的原子钟是必不可少的。

卫星也同样需要精确的信号广播，因此卫星上一定会搭载高度精确的星载原子钟以使卫星的定位精度越来越精确。因为原子钟的频率是导航信号生成和系统测距的星上时间基准，如果原子时钟的误差放大到最终定位换算中的误差，可能最终会增加到数个数量级，从而对定位精度造成不可估计的影响。

那到底什么是原子钟？原子钟是一种利用原子共振产生适合作为频率参考和/或精确计时的高度稳定频率的设备。原则上，原子共振是固有且不变的自然属性。在实践中，我们基于这种原子共振特性制定原子频率标准 (AFS)，而原子钟就是实现这种标准的必备装置。原子钟让人们能够以可检测的方式观察原子共振，并且外部干扰削减到最小。当使用不同的原子时，原子频率标准也是不同的。现在国际的通用原子钟有氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟，其中铷原子钟是最为常见的一种。

铷原子钟的体积小、成本低且其短期内十分稳定，因此被广泛应用于各个领域，尤其是各国的导航卫星。在铷原子钟内，铷气和其他惰性缓冲气体被充入在一个小的玻璃“单元”中，这些铷原子是使用铷光谱灯通过光泵浦的过程以特定的超精细原子状态制备的。铷的原子共振频率可以通过向微波腔施加射频能量来获得。即原子跃迁会对微波信号起鉴频作用，通过处理的激励信号频率会达到与原子跃迁相同的频率，从而通过原子跃迁实现准确的定时矫正。当然，星载原子钟组比普通原子钟要精密得多，所以，在研发难度上也要难得多。

除此之外，氢原子钟的精度最高，但制造最为困难；而铯原子钟的定位精度最低。

据测定，北斗卫星搭载的最新原子钟误差极小，运行3000年才会出现1秒的误差。为什么北斗的原子钟精度如此之高？其中对于铷原子钟来说，关键问题是要得到它的一种同位素铷87，铷钟的精度由可以分离得到的铷同位素丰度所决定。如何得到这种关键的同位素？答案就是使用电磁型同位素分离器。这种仪器最初是物理学家欧内斯特劳伦斯为解决曼哈顿计划中制造原子弹所需要分离的铀同位素而设计，设计蓝本以电磁回旋加速器为参照。

但原子钟的制造并非一件易事，需要考虑的问题有很多。例如在太空中极端低温的环境中，轻微的温度波动都会造成原子钟的精度下降，因此降低原子钟的温度敏感度是制造高稳定性、高精度原子钟的重要问题。而为了解决这一问题，为原子钟提供稳定的外部工作环境是至关重要的。

星载氢原子钟相较于铷原子钟有更复杂的结构，而氢原子钟会具备更明显的技术指标优势，因此已被应用于要求更加严苛的航天器中，例如中国的国际空间站。但是目前，卫星上搭载小型铷原子钟更具备优势，使得北斗导航系统实现更精确的定位精度以及时间更长的自主导航能力。

中国的原子钟研究历史可以追溯到20世纪60年代。1961年，中国著名光子物理学家王育竹在当时作为前苏联科学院无线电技术与电子学研究所学成回国后，到中国科学院北京电子学研究所工作。由于他在莫斯科学习原子钟，因此回国后想继续从事这方面的研究，这个想法得到了上级的支持并成立了原子频率标准研究组（以下简称“频标组”），建组一开始就确立了一项明确的指导思想：“要研制实用化原子钟，为国防工程和国防建设服务。”王育竹曾先后与同事完成了“远望一号”和“远望二号”的研制工作，在国产原子钟的研制工作中取得了骄人的成绩。

在老一辈科学家们的努力下，中国面对国外的技术封锁，把原子钟从有到无做了起来，并最终将其应用到后来的“远望号”测量船上，为国防事业做出了重要贡献。据报道，来自中国原子能院的EMIS-170同位素电磁分离器可以分离得到高丰度的铷87。同时西安现代技术控制研究所（203研究所）也是北斗星载氢原子钟研究的主力军，从起始研发到高精度原子钟的国产化，每一代原子钟的问世都烙刻着一代203人的故事。

虽然我国在铷原子钟等领域的研究取得了跨越性的进步，但有道是“人外有人，天外有天”，相比起步早、科技高度发达的国外同行而言，我们还是相差很大距离的，例如有更高精度要求的星载原子钟我们依然无法制造，所以较高精度的钟依然要以昂贵的价格从国外进口，而这种需要在进入21世纪后变得尤为迫切。例如在发展北斗二号之前，听说我国要研制自己的导航系统，欧洲立即我国进行了有关于原子钟的技术封锁，并禁止生产商向我国进口高精度的原子钟。据杨元喜院士介绍说，听说中国要搞北斗二号，都纷纷对中国say no。原因是当时谁要是将高端原子钟卖给中国，就会受到美国的制裁。所以，我们只能自主研发高端原子钟。

当时仅20多岁的李春景扛下了研发北斗二号原子钟的重担。他们通过大量的工作从无到有突破了中国高端原子钟的原本空白的技术领域，使北斗二号试验卫星得以在2007年顺利升空。时至今日，我们已经能够为北斗导航系统提供更加精密的原子钟。例如北斗三号卫星搭载的铷原子钟，就是我国自主研发的最先进的原子钟，已经实现了每300万年才会有一秒的误差。

从0开始到原子钟技术攻关再到制造高端的精密原子钟，关键技术的突破浇灌了几代人共同的心血。

来源: 科普中国

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