为“北斗”全球导航系统建设与应用贡献力量 510所助力“北斗”星耀全球
510所研究员崔敬忠
510所研究员翟浩
铷原子钟物理部分
6月23日9时43分，随着我国最后一颗“北斗”三号组网卫星在西昌卫星发射中心发射升空，“北斗”三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。北斗卫星导航系统作为重要的国际空间基础设施，可为国际社会提供优质的全球服务。布局26年，在“北斗”工程三步走建设过程中，几代510所领导带领科研团队，瞄准国家重大战略需求，顽强奋斗、集智创新、持续攻关、大力协同，为“北斗”贡献了铷原子钟物理部分、电源变换、推进剂储供、隔热和润滑等高精尖技术产品，为“北斗”工程建设的圆满完成贡献了力量。
1中国的“北斗”，世界的“北斗”一流的“北斗”
510所翟浩研究员介绍，自1994年起，我国启动“北斗”系统建设，按“三步走”发展战略，先区域后全球，分步建设“北斗”一号、“北斗”二号、“北斗”三号系统。2000年，“北斗”一号实现了双星有源定位；2012年，“北斗”二号卫星导航系统实现亚太区域导航，“北斗”二号于2016年获得国家科技进步特等奖、2017年获得第四届世界互联网大会领先科技成果；2020年，“北斗”三号卫星导航系统即将实现全球覆盖，服务功能扩展到无源定位、国际搜救、精密单点定位、区域短报文、全球短报文、星基增强和地基增强等7项，定位精度优于10米，授时精度优于20纳秒，全球服务可用性优于99%。满足用户多样化需求，与美、俄等世界主要卫星导航系统精度相当并且可兼容互操作，融入核心基础设施，保障国家安全，广泛应用于交通、国防、水利、金融、农业、海洋、电力、通信、测绘领域。
到2019年，我国卫星导航与位置服务的总产值已达到3450亿元，深刻影响社会行为和生产方式，“北斗”+互联网（物联网）深度融合，全面实现大众应用，“北斗”功能智能手机规模亿级，截至2019年三季度，在中国市场申请入网的手机有三星、华为、小米等300余款支持“北斗”。“北斗”为2020年抗疫也提供硬核支持：包括无人机巡逻、宣传和精准喷洒消毒液，基于北斗的精准物流配送，精准数字施工（如雷神山火神山医院建设）等。
“我们为‘北斗’三号全面完成建设而欢呼：星座覆盖全球、精度比肩全球、星链连接全球、特色引领全球、服务惠及全球。中国的‘北斗’，世界的‘北斗’，一流的‘北斗’，梦想不止于此！”
2突破“卡脖子”技术打造“中国精度”
翟浩解释了“北斗”卫星导航系统的原理。简言之，“北斗”系统利用无线电导航信号测距实现精准定位。定位精度由无线电测距精度决定，测距可以转换成测时间，时间测得越准，定位精度也就越高。这就是为什么导航卫星需要用到特别高精度的时间基准——原子钟的原因。“如果用石英表，测距可能偏差数千公里，这也是过去掌握在欧美发达国家手中、对我国技术封锁、制约我国不能搞全球定位导航的‘卡脖子’技术。”
“有高精度的原子钟，才能有高精度的导航系统。而‘北斗’铷原子钟，是由510所参与研制的，为‘北斗’工程做出了突出贡献，也得到了业界的普遍认可。”翟浩介绍，自“北斗”二号启动，510所在北京大学前期研究成果的基础上，完成了“再创新”，成为校企产学研合作的典范。“目前，已实现了原子钟‘自主可控’，不依赖于任何的进口器件和材料。‘北斗’三号已具备与美国GPS（全球定位系统）星载原子钟同等的技术指标，达到了国际先进水平，有力保障了‘北斗’工程建设。”
“国家在引进原子钟受挫后，决定做自己的原子钟！之所以选择铷钟作为原子钟的突破口，是因为它体积小、重量轻、功耗低，且研制难度相对较低。”崔敬忠研究员是510所实现铷钟物理部分国产化的“拓荒者”，他全程参与了“北斗”一号至三号。2004年，崔敬忠临危受命。“此前在联合攻关，510所后来得以加入铷钟研制，是因为510所有两点比较突出：一是作为物理研究所，510所对于铷钟研制所涉及到的量子跃迁等了解更深入，进展可以更快；二是510所航天工程经验较为丰富。”8月接任务后，崔敬忠带领团队在短时间内攻克了多项关键技术，“完成了地面原理样机、空间鉴定件、正样、试验星和正样星的使用，以及三期高稳定和甚高稳定的产品研发。”由此，我国彻底摆脱了国外进口限制，与导航一期相比，星载铷原子钟整机稳定度指标提高了一个数量级，设计寿命由8年提高到12年，达到了“北斗”三期的目标要求。从2004年至2017年，崔敬忠带领的团队成功交付大批星载铷钟物理部分产品。与此研制相关的510所量子频标事业部从无到有，从小到大，从设计到生产、到测试实验以及交付使用，都有良好的队伍和完备生产线做支撑。
每一个上天件的顺利完成，并非藉一二人之力即可完成。除崔敬忠之外，完成了二代导航卫星铷钟物理部分铷泡产品、金属铷真空蒸馏提纯装置研制的刘苏民，为铷原子钟的顺利研制和在轨飞行成功奠定了基础。而铷钟物理部分，是研制出来的，也是调试出来的，张金海与同事一同设计了多种试验，反复摸索氙灯的稳定度，最终使星载铷原子钟的短期稳定度实现了在北斗一期基础上提高三倍，被誉为可调试铷灯的“金手指”。
“通过国家重大专项工程培养了队伍，成长起来的510所年轻人多为硕士、博士。同时，也有许多技术得到了转化。”此外，翟浩还透露，510所经过15年艰苦卓绝的研发，开发出铯原子钟，已突破了铯原子钟的电子倍增器长寿命技术，这是一项40年来的“卡脖子”技术，彻底扭转了磁选态铯钟“受制于人”的局面，使我国成为继美、俄之后世界第三个掌握此项技术的国家。目前此型铯钟已应用于北斗工程地面段，未来可上星应用。
“4000亿规模的北斗应用产业怎样与甘肃地方经济发展相结合？我们自己也有目标。”翟浩说，中国卫星导航系统管理办公室正在积极推进“‘北斗’示范工程”。中国卫星导航年会是一个开放的学术交流平台，促进卫星导航产业的科学发展是会议的重要宗旨，510所立足于参与“北斗”工程的长期学术技术研究与交流，有责任推动中国卫星导航年会落地甘肃，助力有关部门对接“‘北斗’示范工程”在甘肃落地和北斗应用产业在甘肃的发展。“下一代‘北斗’将进一步提高精度，其中原子钟将向新型原子钟发展，510所已开展了相应的研发工作，不断满足国家重大战略需求。”
3卫星气瓶技术正在向氢燃料汽车贮氢罐转化
说起510所对“北斗”三号工程的贡献，就不能不提到510所研制的“北斗”任务动力系统“油箱”和“气源”——贮箱气瓶。“贮箱是510所进入宇航领域的最经典的宇航产品，后来才做气瓶。”翟浩说。
空间微重力环境下，推进剂是气液两相流，行为复杂，体积较大的燃料贮箱，需要通过其“搭档”高压气瓶内的高压气体把燃料“挤”出去。一般来说，贮箱加燃料约占卫星一半的重量，510所一直致力于为贮箱减重。”510所刘志栋说。“贮箱使用的通常是非常难加工的金属，510所几代人为此付出了不懈努力，才将其加工为壁厚很薄、精度很高”。刘志栋还告诉记者，目前510所使用的钛内衬碳纤维复合材料缠绕高压气瓶，重量是原来的1/3，而且只会漏、不会爆，安全系数较高。
翟浩说，510所钛内衬碳纤维复合材料缠绕高压气瓶技术，已开始向着氢燃料汽车贮氢罐方向开展研发工作，不断实施宇航技术向民用技术转化，也是510所服务地方经济发展的战略使命。
此外，510所研制的星载二次电源，将星上由太阳能转化而来的电能进行转换后，再输送到各种电子设备，最多时可提供几十路输出，是卫星能源系统中重要的组成部分。可以说，高可靠、长寿命、高效率电源变换技术是卫星的“迷你变电站”。在“北斗”三号卫星，510所共提供了多达26个品种、600多台产品，持续高效高品质提供能源保障，在国内航天供配电技术领域已达到领先水平。
4为卫星穿上“太空衣”
基于航天表面工程核心技术，510所解决了“北斗”三号卫星空间润滑、热控、天线镀膜防护等领域的关键技术问题，为“北斗”打造了三件高科技“太空衣”：
其一是“防护衣”，即热控薄膜、原子氧防护薄膜，为航天器提供了最外层的防护，确保空间飞行器在严酷的太空环境中安全运行。“北斗”三号卫星用到的510所二次表面镜总计约10余万片，还有各类柔性热控薄膜3000多平米。“防护衣”对实现星体与空间环境的热交换、控制卫星的温度水平、保证卫星处于正常工作温度范围起到了重要作用。
其二是“润滑衣”，510所采用航天表面工程技术，为航天器活动件涂镀了一层防冷焊、低摩擦、耐磨损的薄膜，薄膜虽然薄，但却起到了“四两拨千斤”的作用，它不仅解决了活动件真空冷焊的难题，而且使整星和一些关键单机提高了5年以上的在轨寿命。50套固体润滑轴承，保证了“北斗”星上天线分系统电机在极端真空环境下的正常工作。此外，510所为“北斗”系列导航卫星提供定型太阳翼活动件产品包括关节轴承、锁定勾、锁钩轴、弧形片等1500余件，在保证卫星活动件正常工作和整星长寿命方面发挥了重要作用。
其三是“隐身衣”，针对“北斗”任务星用大型复合材料结构件的电磁波反射、空间防护及导电导热性能需求，510所开展了复合材料表面金属化技术研究，研制出的表面镀膜应用于多种卫星天线、空间CCD相机筒、多种空间机构和结构件。该技术不仅获得了中国优秀专利奖，而且为北斗导航系统提供了包括喇叭天线、抛物面天线等多种类型的天线镀膜产品，显著提升了星用大型复合材料结构件的电磁、电学及防护等性能。
■编后
星路光明
我国的“北斗”导航系统任务用26年的时间走过了国外卫星导航系统40年的发展历程，“北斗”全球导航系统建设全面完成，结束了我国没有独立自主的卫星导航系统的历史，我国的导航系统正式进入“北斗”照耀全球的新时代。510所作为“北斗”系统核心和关键技术研制单位，二十年如一日慎终如始，不断用技术创新与无畏坚守持续助力“北斗”导航工程建设直至圆满收官和应用发展。未来，510所将继续瞄准国家重大战略需求，拼搏创新、勇往直前，为建设航天强国再谱新篇！
（510所供图）
兰州日报社全媒体记者何燕
新闻推荐
新华社台北6月22日电2020（庚子）年海峡两岸共祭中华人文始祖伏羲典礼22日在台湾新北市举行。这是两岸连续第七年跨海同步共...
甘肃新闻，弘扬社会正气。除了新闻，我们还传播幸福和美好！因为热爱所以付出，光阴流水，不变的是甘肃这个家。