45个“湖北造”铷原子钟服役北斗三号

湖北团队奋斗近30年，让中国卫星跳动“中国心率”

45个“湖北造”铷原子钟服役北斗三号

梅刚华在原子钟整机调试间工作。 （受访单位供图）

湖北日报全媒记者 肖丽琼

编者按

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“日常使用的时钟如果每天快慢几秒，计时精度就算很高了。但是一台铷原子钟，每天的计时误差可能只有百亿分之几秒。”9月10日上午，在位于武汉的中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（以下简称“精密测量院”），著名原子钟专家梅刚华研究员这样形容原子钟的精度。

他的面前，是一个鞋盒大小的金色盒子。这个盒子正是甚高精度星载铷原子钟——每天计时误差不超过百亿分之三秒的“时间魔盒”，北斗卫星导航系统的“心脏”。

为让这颗北斗“心脏”跳出“中国心率”，梅刚华和团队奋斗了近30年。“现在的北斗三号卫星上，装备了45个我们的铷原子钟！”梅刚华的自豪之情溢于言表。

欧美技术封锁，倒逼湖北科学家自主研发

“做不出原子钟，北斗系统就建不成。”北斗工程总设计师孙家栋院士曾这样界定原子钟的关键作用。

原子钟是基于量子物理学的基本原理——原子由原子核和电子组成，电子在不同的能级之间跃迁时，会释放特定频率的电磁波，这些电磁波的频率是固定的，不受外界干扰，因此可以用来作为时间标准。

梅刚华说，日常生活中，大家或许感受不到原子钟的存在，然而正是依靠原子钟的计时精度，让人类每一场竞赛、每一次卫星发射，乃至金融市场的每一笔交易，都能在时间的洪流中找到自己的精准坐标。

星载原子钟是北斗的“心脏”，却一度是北斗人的“心病”。

1985年，梅刚华从武汉大学硕士毕业，分配到中国科学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）。武汉物数所是我国最早开展原子钟研究的单位，也是梅刚华“梦开始的地方”。

梅刚华早期从事了10年的原子物理基础研究。他由此获得博士学位，也练就了扎实的原子钟技术研究基本功。

20世纪90年代，我国制定了北斗卫星导航系统“三步走”发展战略。能否实现原子钟技术突破，关系到北斗系统建设的成败。当时，星载原子钟技术仅为少数西方国家所掌握，在我国属于技术空白。星载原子钟机理复杂、技术难度极大，要实现从无到有的突破，难度可想而知。

1997年，梅刚华团队接下研制北斗星载铷原子钟的任务。此时，欧美国家已经先行了近30年。

“刚开始的时候，我们铷钟的精度跟西方发达国家比差了将近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。”面对欧美的技术封锁，梅刚华明白，只能走自主研发这一条路。

越是关键，就越要去攻克

从核心部件突破！

微波腔是铷原子钟的核心部件。在深入研究现有技术局限性的基础上，他创新性地提出，利用一个开槽管结构，可能大大改善微波腔的性能。但是，在一个胶卷大小的开槽管上开几个槽，槽的宽度是多少，长度是多少，当时没有计算机模拟仿真技术，他只能凭经验一点点尝试，一个个参数摸索。历经无数日夜、反复试验，试验品竟装满了几抽屉。

终于，凭借着不服输的倔强，梅刚华成功研制开槽管微波腔，奠定了铷钟高稳定度和小型化技术基础。国内权威专家认为该技术是我国科技工作者在原子钟方面作出的“不可多得的创新性贡献”。

攻克第一道难关后，梅刚华又把目标锁定在铷光谱灯上，这是铷钟的另一个核心部件。普通的谱灯光强起伏大，铷样品消耗快，且无法在卫星的真空环境下工作。梅刚华带领团队通过无数次试验，发明了一种新型光谱灯，能够在真空条件下长期稳定工作，克服了限制铷钟寿命和卫星环境适应性的主要障碍。

2018年11月19日，在西昌卫星发射中心以“一箭双星”方式成功发射的我国北斗三号系统第十八、第十九颗组网卫星，首次装载了精密测量院研制的甚高精度星载铷原子钟。这是梅刚华团队为北斗研制的第三代铷钟，性能指标超越GPS系统的同类技术，居国际领先水平，可为北斗系统提供分米级定位能力。

回顾那段自力更生的岁月，梅刚华感叹：“一味地跟从，最多跟别人做得一样好；要超越别人，就必须创新。什么东西难你就得干什么，越是觉得那个东西关键，你就越是要去攻克。”

今年6月24日，2023年度国家科学技术奖在京揭晓，梅刚华团队完成的“北斗三号卫星导航系统星载铷原子钟技术实现与应用”项目荣获2023年度国家科学技术进步奖二等奖。这是梅刚华团队继2015年获得国家技术发明二等奖之后，再次获得国家科技奖表彰。

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