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【陜西日報】李孝輝和“時間”的故事

發表日期:2019-10-14來源:陜西日報放大 縮小

本報記者 張梅文/圖

  學人小傳

  李孝輝,國家授時中心副主任、時間頻率測量與控制研究室主任、中國天文學會時間頻率委員會副主任、中國衛星導航重大專項專家組成員。他長期致力于時間頻率測量和衛星導航系統方面的研究工作,提出了虛擬星載原子鐘方法與測速信源的實現方法,突破類GPS模式必須使用星載原子鐘的限制;提出了基于共視原理的授時方法,將衛星導航系統的授時精度由10納秒提高到3納秒;針對我國實際情況,提出了差拍數字化精密頻率測量方法,將我國的精密頻率測量能力提高到國際先進水平。

  9月14日,國家授時中心“北京時間70年”展覽亮相陜西省2019年全國科普日主場示范活動。“北京時間70年”展覽通過大量珍貴圖片資料,全景展示了我國時間工作70年歷程。在“北京時間70年”的風雨歷程中,有一群科研工作者,為了提高國家標準時間的性能,實現標準時間的應用不懈攀登。國家授時中心的李孝輝研究員就是其中一位。9月23日,在國家授時中心,李孝輝為我們講述了他和“時間”的故事。

  讓虛擬原子鐘“運行”

  能參與我國衛星導航領域的研究,并為其作出了重要貢獻,李孝輝倍感自豪。

  衛星導航系統在國防經濟等領域應用廣泛,發展自主的衛星導航系統是我國迫切的戰略需求。2002年,中國科學院院士艾國祥創新性地提出“中國區域定位系統”(簡稱CAPS)項目,經中科院批準列為院知識創新工程重大項目,同時列入國家“863”計劃,由國家授時中心和國家天文臺的科研工作者聯合研究。

  作為國家授時中心當時為數不多的博士研究生,李孝輝被安排進入項目組,開始了我國獨立自主的衛星導航系統的研制攻關。

  導航的基礎是高精度的時間。GPS把原子鐘放在衛星上,只需要播發星載鐘的時間就可以了。但是,當時我國星載原子鐘技術不過關,無法實現高精度時間的測量。針對此問題,項目組給出了虛擬星載原子鐘的設想,即利用通信衛星,在地面將原子鐘的信號發射向通信衛星。通信衛星收到信號以后,轉發到地面附近的用戶。“簡單說來就是,衛星上沒有原子鐘,我們虛擬出來了一臺,使它起到了和衛星上有原子鐘一模一樣的效果。”李孝輝介紹。

  虛擬星載原子鐘,說起來容易,操作起來卻十分棘手。地面到衛星的距離和衛星轉發信號的時延信號怎么測量?如何把GPS里面靠星載鐘完成的任務挪到地面?如何利用通信衛星的條件設計適宜導航使用的信號?……一道道難題橫在項目組面前。

  在這個過程中,李孝輝給出了虛擬星載原子鐘的計算方法。“根據這個計算方法,衛星的星歷已知,地面接收天線的位置已知,可以計算出信號下行時延。同時,我們還專門提出了一發多收的相對校準方法,非常準確地標定了接收系統的時延。”他介紹。

  至此,虛擬星載原子鐘的理論問題都解決了。至于這個虛擬原子鐘運行效果如何,還得在實踐中驗證。

  “雕刻”時間,精益求精

  這是一項國際難題,沒有任何經驗可以借鑒。

  首先,對虛擬星載原子鐘的驗證非常煩瑣。在研究的關鍵時期,需要進行各種算法的驗證和編寫,對研究人員來說,是腦力和體力的雙重考驗。

  2004年3月到4月,李孝輝每天早上8時坐進辦公室,直到晚上12時,科研樓要鎖門了才出去。除了中午和晚上各半個小時出去吃飯外,他一直趴在計算機前寫算法、驗證算法、修改算法。“1個月后,我身體就受不了了:由于坐得太久,腳腫得鞋都穿不上。白天工作的時候不覺得,到了晚上向科研樓外走的時候,自己感覺異常難受。”李孝輝回憶道。

  “你能想象十幾天沒出實驗室門是什么狀態嗎?”李孝輝說,“在項目驗收的關鍵時期,我和一位同事在實驗室待了整整16天沒出去,連飯都是別人送進來的。我們輪流值守,累了就躺在凳子上睡會。科研攻關就是這樣,不僅要拼腦力,還要拼體力!”

  當然,還要拼膽識。衛星導航系統做得好與壞,關鍵是對各部分時延的控制是否精確。李孝輝介紹,1納秒(1秒的十億分之一)的時間差,就會導致實際上30厘米的距離差。為了能準確控制電纜時延,他親自去導航主控站布線。那時候,刷有防水涂料的房子剛剛建好,房間里還充斥著甲醛等有害氣體,但為了不耽誤后面的工期,大家都忍著嗆人的氣味工作,一會兒眼睛就流淚了,要出去適應一下才能再進來安裝。有一次,在校準天線的時候,天降大雪。為了避免大雪影響信號發射,李孝輝冒著被輻射的風險,爬到天線上除雪,確保發射信號的正常。

  天道酬勤。經過兩年的持續攻關,虛擬星載原子鐘成功了,開創了無星載原子鐘實現被動衛星導航的先河。虛擬星載原子鐘將衛星導航系統的授時精度由GPS的10納秒提高到3納秒,解決了一系列國際難題,為我國發展獨立自主的衛星導航系統奠定了基礎。“美國花了10年時間,才做出GPS,我們只用了兩年時間,就實現了預期目標,這是相當令人鼓舞的,大家也都更有干勁和信心了!”他表示。

  隨著經濟社會的快速發展,需要更高水平的精密頻率測量。但是,傳統的精度提高主要依賴于工藝水平的提高,已經沒有提升空間。這一領域迫切需要理論和方法創新。針對我國實際情況,李孝輝提出了差拍數字化精密頻率測量方法,解決了精密測頻的發展問題。2009年,團隊成功研制出多通道數字化頻率穩定度分析儀,在同樣電路噪聲環境下,比傳統方法的測量精度提高了近50倍,實現了數字方法在精密測頻中的應用,測頻精度達到國際先進水平。

  “在時間領域,精雕細琢、創新突破,立足時間頻率,發展衛星導航,滿足國家需求,是我們的使命和責任!”李孝輝表示。

  讓更多人了解“時間”

  李孝輝在干好科研工作的同時,還熱衷于科普。截至目前,他已經出版了《時間的故事》《導航1號檔案》《圖解時間》《北京時間——長短波授時系統》等科普著作。

  要想把“時間”講清楚,可不是一件容易的事。在科普著作中,李孝輝通過各種形式,努力讓更多的人了解時間科學。2012年10月,由人民郵電出版社出版的《時間的故事》便是一本普通大眾能讀得懂的“時間簡史”。這本書從一個全新的角度,用淺顯生動的語言,從時間的產生講到了時間最后的結局。在書中,他開篇即引導讀者從身邊的事物去感受時間,然后幫助讀者認識時間的重要性,理解時間是如何產生的,進而又通過大量的事例,說明時間在不同的歷史年代有著不同的定義。特別有意思的是,他讓“時間”扮演了每一場大戲的主角。“時間”既是信息交換的翻譯官,又是輸電線上的偵察兵,還是深空探測的司令員、互聯網上的大法官,間或充當交通運輸的紅綠燈,說明時間在現代生活中的作用。

  為了使普通讀者能盡量理解晦澀深奧的時間科學,李孝輝下了很多功夫。《時間的故事》每寫完一章,他就講給當時讀小學的女兒聽,根據孩子的意見來修改。雖然科研任務重,工作很忙,但是他從來不覺得做科普是在浪費時間。“實際上,要把科學研究通俗地表達出來,也是一個再次加工和深入理解的過程,對科研也有一定的促進作用。”他說。

  除了撰寫科普著作,他還經常擠出時間通過講座、報告等形式,為大家講述時間科學。每一次講座,他都會根據群體的不同,修改講座內容和形式。李孝輝介紹,有一次,參加省圖的公益講座,他在臺上講,看到下邊坐著幾位老人,一邊聽一邊認真地記筆記。“大家愿意去了解,你有什么理由不好好講呢?”他說。

  “科普,我一定會堅持下去的,這是科學家的責任和義務!”李孝輝表示。

 

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