星空定位是真的嗎
本文轉自：人民政協報
仰望星空，北斗璀璨。2020年7月31日，中國北斗三號全球衛星導航系統正式開通。北斗系統的定位功能建立在時間的精準測量之上，原子鐘被稱為是導航衛星的心臟。梅剛華團隊踔厲奮鬥、嘔心瀝血，讓這顆“心臟”生機勃勃。本版刊發著名作家黃傳會報告文學新作，講述梅剛華與北斗的故事。
▲梅剛華研究員在工作
一
採訪我國著名原子鐘專家、中科院精密測量科學與技術創新研究院（簡稱精密測量院）的梅剛華研究員，我們卻是先從文學聊起的。
“黃老師，我知道您是寫報告文學的，我喜歡報告文學。”
“哦？”我有點兒意外。
“我讀過徐遲的《歌德巴赫猜想》。”
“那是什麼時候？”
“四十多年前，我還沒有上大學。讀了這篇文章，陳景潤的故事，徐遲的文筆給我留下終生難忘的印象。”
我問：“是不是從那時候開始，您就想做陳景潤那樣的科學家？”
梅剛華笑了，“那麼大的雄心壯志倒沒有。不過，那篇文章對我下決心考大學起了很大作用。”
優秀的文學作品是能陶冶情操，激勵人生的。徐遲那篇風靡一時的報告文學，激勵了一代學子獻身祖國的科學事業。梅剛華就屬於這一代人。
梅剛華1955年出生於湖北黃陂縣（現在的武漢市黃陂區），父母是縣城裡做竹器的工匠，小時候就喜歡動手動腦，幫大人幹些簡單的竹器活。讀小學時和同伴一起去釣魚，他的漁具全部是自制的，包括魚竿和魚簍。大一點了，他對無線電產生了興趣，初中時就自己動手裝了只礦石收音機，高中時已經能做行動式單管收音機了。1974年高中畢業後下鄉當知青，到農村勞動鍛鍊，後來又在第一冶金建設公司當了兩年工人。1978年考入武漢大學物理系。本科4年，研究生3年，學的都是半導體專業。
1985年，梅剛華碩士畢業，分配到中科院武漢物理與數學研究所（簡稱武漢物數所，精密測量院前身），開始接觸原子鐘。武漢物數所是專業化從事原子鐘研究的單位，為我國原子鐘技術發展做出過重要貢獻。但在20世紀80年代中後期，由於國際國內形勢變化，原子鐘研究經歷了一段困難時期。1987年，梅剛華轉向基礎研究，研究鐳射與原子束相互作用機理和技術，憑著這方面的研究成果獲得了博士學位，當上了研究室副主任。10年的積澱，他練就了紮實的原子分子物理理論和實驗功底。這是做原子鐘研究必備的基本功。
20世紀90年代，我國北斗衛星導航系統工程立項，原子鐘發展迎來了難得的機遇。這是因為，北斗系統的定位功能是建立在時間的精準測量之上的，按北斗工程總設計師孫家棟院士的說法，原子鐘是導航衛星的心臟。做不出原子鐘，北斗系統就建不成。
國家有關部門決策，立即開展星載原子鐘技術研究。
透過激烈的競爭，武漢物數所拿到研究任務，便立即重建原子頻標研究室，組建星載銣原子鐘研究組。時任研究所所長葉朝輝院士親自點將，由梅剛華出任研究室主任和研究組組長。
這是國內第一個星載原子鐘國家重大專案。物數所作為抓總單位負責原子鐘總體設計和物理系統研製，航天五院504所負責電路系統研製。
導航衛星用的星載原子鐘，是原子鐘中的極品。不僅精度要求高，還要滿足小型化、低功耗、可靠性、壽命和衛星環境適應性的苛刻要求，技術難度極大。當時掌握星載銣原子鐘技術的國家只有美國和瑞士。
梅剛華告訴我：“剛開始的時候，我們銣鐘的精度跟西方發達國家比差了兩個數量級，將近100倍。在可靠性、壽命、衛星環境適應性方面，更是連設計概念都沒有，差不多是一片空白。”
▲梅剛華（左四）和團隊成員一起分析星載銣鍾測試資料
二
銣原子鐘的精度主要指頻率穩定度，它直接與原子躍遷訊號的強度相關。
銣原子鐘是根據“光-微波雙共振”原理設計的。原子訊號的強弱與物理系統的兩個主要部件相關，一個是激勵光共振訊號的光譜燈，一個是激勵微波共振訊號的微波腔。光譜燈的作用像抽水機一樣，將原子從低能級抽運到高能級。水可以自動從高處流到低處，但銣原子鐘中的高能級原子，卻不能自動回到低能級，必須用微波場去激勵，它才能下來。所以把光譜燈做好，上去的原子就多；把微波腔做好，下來的原子就多；上去和下來的原子都多，原子訊號就強，原子鐘的穩定度就高。對於銣原子鐘設計而言，光譜燈和微波腔是兩塊硬骨頭。
“我們的星載銣鍾研究是從微波腔起步的，”梅剛華說。“微波腔設計有兩個基本的要求。第一是體積要小，不然銣鍾整機的體積下不來；第二是微波場的分佈模式要好，不然原子訊號就弱。當時國際上比較成熟的是傳統的TE_011腔和TE_111腔，前者的體積過大，後者的場分佈模式不太好，所以在1997年專案啟動的時候，我們就決定做一種新的微波腔。”
為了少走彎路，費了很大勁，物數所請到國際著名原子鐘研究單位瑞士天文臺退休專家李·約翰遜來實驗室做指導。
約翰遜根據文獻和自己的經驗，做出了兩種新結構微波腔模型，一個叫作慢波螺旋腔，一個叫作分離環腔。但效果並不理想，腔的結構鬆散，找共振頻率困難，產生的原子訊號很弱。三個月合同期一到，他便走了。
看來只能靠自己了。
有人疑惑：連瑞士專家都做不出來，我們行嗎？梅剛華有信心。
兩種新結構腔相比，他覺得分離環腔更有優勢，關鍵是如何把它從一個分離的、鬆散的結構變為一個一體化的剛性結構。多次嘗試都不見效果。一天下午，他突然想到一種方案，來不及等工廠加工，說幹就幹！他找來一塊銅片，在上面銼了幾個槽，然後捲成一個管，再用銅皮包上沒開槽的那一端，塞進一個金屬圓筒。在儀器上一測量，馬上就看到了共振訊號。他將鍾達、安紹鋒幾個骨幹叫來，大家一看，都很興奮。
趁熱打鐵。第二天，他到工廠加工了一個正式樣件。再次測量，發現共振訊號不僅還在，而且很強。短短兩三天時間，一種新結構微波腔——梅剛華把它命名為開槽管微波腔——雛形就出來了。開槽管微波腔後來獲得中國和美國專利授權，到現在仍然是精密測量院星載銣鐘的主要設計特徵。這種微波腔不僅體積小，場分佈模式也很好，可以利用小體積原子氣室獲得高強度原子躍遷訊號，這樣就從根本上解決了銣原子鐘高精度和小型化之間的矛盾。
銣光譜燈的設計原理並不複雜，就是透過無極放電，使銣原子蒸氣發光。但原先的設計問題很多，根本上不了天。一是光強跳變，影響銣鐘的頻率穩定度；二是真空裡發光不正常，限制銣鐘的衛星環境適應性；三是燈泡中的銣消耗太快，制約銣鐘的壽命。
“解決問題，要花大量時間找原因，原因找到了，問題就解決了一大半。”梅剛華說。
光強跳變的問題困惑了他們很長一段時間。最後梅剛華讓博士生趙峰找來一臺攝像機對著燈泡拍“電影”，終於弄清光強跳變是液化的“銣滴”在燈泡內表面“遷移”造成的。譜燈在真空中發光不正常的問題，他們透過大量實驗，發現是由於燈泡散熱不通暢，導致燈泡溫度過高造成的。
燈泡玻璃材料試驗持續了十年之久。他們讓三個譜燈長期點亮工作，每個月測量一次燈泡中的銣量，積累了近十年的測量資料。根據這些資料進行計算，得到了精確的銣消耗模型，精度比國外高出六七倍。再根據這個模型，確定了適中的充銣量，既不會因為少了而影響銣鐘的壽命，又不會因為多了而產生銣遷移現象，影響銣鐘的效能。
十年是三千多個日日夜夜，幾多辛苦，幾多心血，只為拿到一個科學的設計資料。
一臺高效能銣鍾，光有好的物理系統還不行，電子學系統也要做好。銣鐘的頻率穩定度既與原子訊號強度相關，也和電路的噪聲相關。對於一般精度較低的銣鍾，電路的設計是不太困難的，但要做極品銣鍾，電路的噪聲就必須壓得很低。原子鐘的電路實際上是一個鏈條，由多個模組組成。為了判定噪聲來源，他們一個個模組去找，去診斷，這裡麵包含了大量的模擬、模擬、測試和試驗工作。
解決了物理系統原子訊號強度和電路降噪的問題，銣鐘的短期穩定度就基本解決了，但長期穩定度還沒解決。某種意義上長穩更重要，因為導航衛星用的主要是每天的穩定度。“影響長穩的主要因素是光頻移和溫度頻移，”梅剛華介紹：“我們開始的做法有點治標不治本，總想透過選擇工作點、加強溫控等外部措施來解決，效果不好。於是就系統地研究如何將原子體系自身的頻移降下來。這就要改變和最佳化很多設計引數，比如銣泡中充入的緩衝氣體的種類、配比、壓力等等。這些東西最好每次只改一樣，不然你的判斷就不一定準確。科研就是這樣，沒有捷徑可走，必須老老實實去做，水滴石穿，水到渠成。”
一晃，8年過去了。2000年，梅剛華團隊研製出國內第一臺星載銣鍾原理樣機；2004年，又研製出星載銣鍾電效能樣機，技術指標基本滿足北斗系統的應用需求。
但是，真正的考驗還在後頭。
▲甚高精度星載銣原子鐘。這是中科院精密測量科學與技術創新研究院研製的第三代星載銣鍾，2018年裝備北斗三號衛星。
三
2004年，北斗二號系統星載銣鍾進入工程樣機研製階段。
孫家棟院士一直在關注著武漢物數所，親自帶專家組前來考察。
孫家棟握著梅剛華的手：“剛華，我知道你們這幾年拼得很苦啊！”
梅剛華十分感動，說：“孫老，有您這句話，所有的苦都值得。”
孫家棟說：“幹北斗就需要有這麼一股勁。有時候，看不到前方的曙光，但是咬牙堅持下去，可能就成功了。”
聽了彙報，看了實驗室，孫家棟對梅剛華團隊幾年來的努力和取得的成果，給予充分肯定。
忽然，孫家棟停頓了十幾秒，而後話鋒一轉：“恕我直言，武漢物數所的原子鐘研究，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。”
全場寂靜。
包括時任所長詹明生和梅剛華在內，武漢物數所所有在場的人都怔住了，他們像是被猛烈地抽了一鞭子。
孫家棟說的工程化，是指航天產品研製生產要遵循一套嚴格的流程和規範。要生產出合格的航天產品，必須編寫全套設計、工藝檔案；裝配、除錯和測試現場必須滿足嚴格的潔淨度、溫溼度要求，人員上崗要培訓，要有資質；要編制試驗大綱和試驗細則，按規範完成振動、衝擊、熱迴圈、熱真空等全套環境試驗；所有過程都要翔實紀錄，做到可追蹤、完全受控。所有這些，當時的武漢物數所幾乎都不具備。
冷靜下來一想，孫家棟是一言中的，物數所團隊研究功底紮實是強項，但工程化能力弱，卻是不爭的事實。
怎麼辦？緊急動員，亡羊補牢。
詹明生決定立即組建技術發展處和質量辦公室兩個管理部門，開始建設質量保證體系。
梅剛華帶隊去航天五院和八院參觀、學習，回來後立即按航天單位的標準改造實驗室。不久，一條符合航天規範的銣鍾生產線雛形就出來了。他請來航天八院的專家，指導團隊編寫設計、工藝和試驗檔案。中國科學院派出監理組，對研製過程進行全程監理。“那段時間是最緊張的，整個團隊夜以繼日地工作，從沒休過假，我自己則是累得頭髮一塊一塊地掉。”梅剛華說。
僅用了兩年多時間，物數所不僅完成了星載銣鍾初樣和飛行件兩個階段的研製任務，實現了首臺銣鍾飛行件上天，質量體系同時也建立起來。質量控制能力實現了三級跳，總體單位對物數所產品質量控制的評價從“基本不受控”變為“基本受控”，再變為“受控”。
2007年，北斗二號系統星載銣鍾進入批次正樣產品研製階段，研製過程仍然充滿艱辛。最痛苦的是技術“歸零”。
“歸零”是航天行業一個專用術語，指產品出現故障以後，要按照“定位準確、機理清楚、措施有效、故障復現、舉一反三”的要求，將故障現象和影響完全排除，保證產品上天執行任務時萬無一失。
梅剛華講了一個“歸零”的故事。有一次，一臺產品交付後出現異常，他們將產品取回做了處理後交給總體，可一通電又出現同樣的問題。於是他們沉下心來一個個部件、一個個元器件仔細排查，最後發現是一個電子器件裝配方式不合理，屬於批次性質量問題。他們將那個批次的產品全部召回，問題是徹底解決了，可就是解決這樣一個看似簡單的問題，卻花掉他們半年的精力。
2012年，北斗二號衛星導航系統全面建成。精密測量院等三家單位研製的星載銣鍾，為我國獨立自主建成北斗二號系統發揮了關鍵作用。精密測量院的星載銣鍾，無論是精度還是可靠性，都受到總體部門的高度評價。
梅剛華只有短暫的興奮。他知道，北斗二號系統星載銣鐘的效能，只相當於美國GPS系統銣鍾20世紀90年代的水平。而眼下，GPS已經用上了新一代銣鍾，技術指標又提升了差不多一個數量級。
2009年，定位和授時精度更高的北斗三號全球系統工程正式立項。
北斗三號上什麼樣的銣鍾？多數人的意見是上高精度銣鍾。高精度銣鐘的技術指標比北斗二號衛星銣鍾高，但是跟GPS新一代銣鍾比，仍然差了一大截。
梅剛華的意見是高精度銣鍾和甚高精度銣鍾同時上，其中甚高精度銣鐘的指標要完全對標GPS的新一代銣鍾。在專案評審會上，他擲地有聲地表示：我們中國北斗的目標是建成一流的北斗，世界的北斗，所以必須用上最好的鐘！
工程總體強有力地支援了梅剛華的意見。2011年，高精度銣鍾和甚高精度銣鍾兩個攻關專案同時啟動。一種技術同時佈局兩個專案，這在北斗系統技術攻關中是獨一無二的。
梅剛華帶領團隊，又開始了新一輪的拼搏。如同參加一場馬拉松賽，前一段賽程，他們一直在努力跟跑對手；這一段賽程，他們將發起衝刺，要追平乃至超越對手。
他們對銣光譜燈的發光光譜做了更深入的研究，發現光譜譜線輪廓普遍存在變形和增寬。它對穩定度的影響，如果是一般的銣鍾，完全可以忽略；但是要做世界上最好的銣鍾，這個影響將是顛覆性的。透過反覆試驗，他們終於找到了解決辦法。
微波腔設計水平也上了新臺階。以前，靠的是經驗設計，哪怕修改一個設計引數，都要花上幾個星期的時間反覆驗證，費時費力。這一次，他們利用計算機軟體進行模擬設計，所有引數設計一次到位。很快，各種尺寸的微波腔設計出來了，微波場分佈模式也得到進一步改善。
他們系統研究了銣原子躍遷譜線的各種頻移機制和控制方法，更換了氣體配方，優化了工作引數，使光頻移、溫度頻移、微波功率頻移和磁場頻移減小了一個數量級，為改善銣鐘的長期穩定度創造了條件。
高精度星載銣鍾於2013年研製成功，2015年開始裝備北斗三號衛星。
甚高精度星載銣鍾於2016年研製成功，2018年開始裝備北斗三號衛星。
2020年7月31日，北斗三號全球衛星導航系統正式開通。在北斗三號系統全部35顆衛星上，每顆衛星都裝載有精密測量院的銣鍾。
甚高精度銣鐘的短期頻率穩定度達到7×10^-13/τ^1/2，天穩達到3×10^-15，超過了GPS最新一代銣鍾。測試結果發表後，甚高精度銣鐘被國外同行認為是目前世界上穩定度最高的銣原子鐘。
甚高精度銣鐘上天，標誌北斗系統用上了最好的星載銣鍾。梅剛華沒有食言。
為了這一天，梅剛華和他的團隊嘔心瀝血、踔厲奮發。他們用20多年的時間，走完了外國人40多年走過的路，使我國的星載原子鐘技術打破了西方國家的壟斷和封鎖，實現了從無到有、由有到強的跨越，使北斗系統有了強大的心臟。他和團隊因此而先後獲得十餘項國家和省部級獎勵和榮譽，其中包括國家科技進步特等獎、國家技術發明二等獎和全國創新爭先獎。
有人形容梅剛華與北斗的關係是一見鍾情。他熱愛他的原子鐘研究，因原子鐘研究與北斗結下不解情緣，目標既定，矢志不移。這種專注、執著，支撐他一路走來。
採訪結束時，我問梅剛華：“銣原子鐘技術走到頭了嗎？”
“沒啊，”他平靜地說：“我們最近研製的新型銣鍾原理樣機，短期穩定度比甚高精度銣鍾還要高3倍多，接下來我們會重點解決長期穩定性問題。”他們還要繼續走下去。
驀地，我心中不由得升騰起一種自豪感，為梅剛華和他的團隊，更為他們永無止境的探索和創新精神！