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【陕西日报】李孝辉和“时间”的故事

澳门新葡亰平台游戏网站:2019-10-14来源:陕西日报放大 缩小

本报记者 张梅文/图

  学人小传

  李孝辉,国家授时中心副主任、时间频率测量与控制研究室主任、中国天文学会时间频率委员会副主任、中国卫星导航重大专项专家组成员。他长期致力于时间频率测量和卫星导航系统方面的研究工作,提出了虚拟星载原子钟方法与测速信源的实现方法,突破类GPS模式必须使用星载原子钟的限制;提出了基于共视原理的授时方法,将卫星导航系统的授时精度由10纳秒提高到3纳秒;针对我国实际情况,提出了差拍数字化精密频率测量方法,将我国的精密频率测量能力提高到国际先进水平。

  9月14日,国家授时中心“北京时间70年”展览亮相陕西省2019年全国科普日主场示范活动。“北京时间70年”展览通过大量珍贵图片资料,全景展示了我国时间工作70年历程。在“北京时间70年”的风雨历程中,有一群科研工作者,为了提高国家标准时间的性能,实现标准时间的应用不懈攀登。国家授时中心的李孝辉研究员就是其中一位。9月23日,在国家授时中心,李孝辉为我们讲述了他和“时间”的故事。

  让虚拟原子钟“运行”

  能参与我国卫星导航领域的研究,并为其作出了重要贡献,李孝辉倍感自豪。

  卫星导航系统在国防经济等领域应用广泛,发展自主的卫星导航系统是我国迫切的战略需求。2002年,中国科学院院士艾国祥创新性地提出“中国区域定位系统”(简称CAPS)项目,经中科院批准列为院知识创新工程重大项目,同时列入国家“863”计划,由国家授时中心和国家天文台的科研工作者联合研究。

  作为国家授时中心当时为数不多的博士研究生,李孝辉被安排进入项目组,开始了我国独立自主的卫星导航系统的研制攻关。

  导航的基础是高精度的时间。GPS把原子钟放在卫星上,只需要播发星载钟的时间就可以了。但是,当时我国星载原子钟技术不过关,无法实现高精度时间的测量。针对此问题,项目组给出了虚拟星载原子钟的设想,即利用通信卫星,在地面将原子钟的信号发射向通信卫星。通信卫星收到信号以后,转发到地面附近的用户。“简单说来就是,卫星上没有原子钟,我们虚拟出来了一台,使它起到了和卫星上有原子钟一模一样的效果。”李孝辉介绍。

  虚拟星载原子钟,说起来容易,操作起来却十分棘手。地面到卫星的距离和卫星转发信号的时延信号怎么测量?如何把GPS里面靠星载钟完成的任务挪到地面?如何利用通信卫星的条件设计适宜导航使用的信号?……一道道难题横在项目组面前。

  在这个过程中,李孝辉给出了虚拟星载原子钟的计算方法。“根据这个计算方法,卫星的星历已知,地面接收天线的位置已知,可以计算出信号下行时延。同时,我们还专门提出了一发多收的相对校准方法,非常准确地标定了接收系统的时延。”他介绍。

  至此,虚拟星载原子钟的理论问题都解决了。至于这个虚拟原子钟运行效果如何,还得在实践中验证。

  “雕刻”时间,精益求精

  这是一项国际难题,没有任何经验可以借鉴。

  首先,对虚拟星载原子钟的验证非常烦琐。在研究的关键时期,需要进行各种算法的验证和编写,对研究人员来说,是脑力和体力的双重考验。

  2004年3月到4月,李孝辉每天早上8时坐进办公室,直到晚上12时,科研楼要锁门了才出去。除了中午和晚上各半个小时出去吃饭外,他一直趴在计算机前写算法、验证算法、修改算法。“1个月后,我身体就受不了了:由于坐得太久,脚肿得鞋都穿不上。白天工作的时候不觉得,到了晚上向科研楼外走的时候,自己感觉异常难受。”李孝辉回忆道。

  “你能想象十几天没出实验室门是什么状态吗?”李孝辉说,“在项目验收的关键时期,我和一位同事在实验室待了整整16天没出去,连饭都是别人送进来的。我们轮流值守,累了就躺在凳子上睡会。科研攻关就是这样,不仅要拼脑力,还要拼体力!”

  当然,还要拼胆识。卫星导航系统做得好与坏,关键是对各部分时延的控制是否精确。李孝辉介绍,1纳秒(1秒的十亿分之一)的时间差,就会导致实际上30厘米的距离差。为了能准确控制电缆时延,他亲自去导航主控站布线。那时候,刷有防水涂料的房子刚刚建好,房间里还充斥着甲醛等有害气体,但为了不耽误后面的工期,大家都忍着呛人的气味工作,一会儿眼睛就流泪了,要出去适应一下才能再进来安装。有一次,在校准天线的时候,天降大雪。为了避免大雪影响信号发射,李孝辉冒着被辐射的风险,爬到天线上除雪,确保发射信号的正常。

  天道酬勤。经过两年的持续攻关,虚拟星载原子钟成功了,开创了无星载原子钟实现被动卫星导航的先河。虚拟星载原子钟将卫星导航系统的授时精度由GPS的10纳秒提高到3纳秒,解决了一系列国际难题,为我国发展独立自主的卫星导航系统奠定了基础。“美国花了10年时间,才做出GPS,我们只用了两年时间,就实现了预期目标,这是相当令人鼓舞的,大家也都更有干劲和信心了!”他表示。

  随着经济社会的快速发展,需要更高水平的精密频率测量。但是,传统的精度提高主要依赖于工艺水平的提高,已经没有提升空间。这一领域迫切需要理论和方法创新。针对我国实际情况,李孝辉提出了差拍数字化精密频率测量方法,解决了精密测频的发展问题。2009年,团队成功研制出多通道数字化频率稳定度分析仪,在同样电路噪声环境下,比传统方法的测量精度提高了近50倍,实现了数字方法在精密测频中的应用,测频精度达到国际先进水平。

  “在时间领域,精雕细琢、创新突破,立足时间频率,发展卫星导航,满足国家需求,是我们的使命和责任!”李孝辉表示。

  让更多人了解“时间”

  李孝辉在干好科研工作的同时,还热衷于科普。截至目前,他已经出版了《时间的故事》《导航1号档案》《图解时间》《北京时间——长短波授时系统》等科普著作。

  要想把“时间”讲清楚,可不是一件容易的事。在科普著作中,李孝辉通过各种形式,努力让更多的人了解时间科学。2012年10月,由人民邮电出版社出版的《时间的故事》便是一本普通大众能读得懂的“时间简史”。这本书从一个全新的角度,用浅显生动的语言,从时间的产生讲到了时间最后的结局。在书中,他开篇即引导读者从身边的事物去感受时间,然后帮助读者认识时间的重要性,理解时间是如何产生的,进而又通过大量的事例,说明时间在不同的历史年代有着不同的定义。特别有意思的是,他让“时间”扮演了每一场大戏的主角。“时间”既是信息交换的翻译官,又是输电线上的侦察兵,还是深空探测的司令员、互联网上的大法官,间或充当交通运输的红绿灯,说明时间在现代生活中的作用。

  为了使普通读者能尽量理解晦涩深奥的时间科学,李孝辉下了很多功夫。《时间的故事》每写完一章,他就讲给当时读小学的女儿听,根据孩子的意见来修改。虽然科研任务重,工作很忙,但是他从来不觉得做科普是在浪费时间。“实际上,要把科学研究通俗地表达出来,也是一个再次加工和深入理解的过程,对科研也有一定的促进作用。”他说。

  除了撰写科普著作,他还经常挤出时间通过讲座、报告等形式,为大家讲述时间科学。每一次讲座,他都会根据群体的不同,修改讲座内容和形式。李孝辉介绍,有一次,参加省图的公益讲座,他在台上讲,看到下边坐着几位老人,一边听一边认真地记笔记。“大家愿意去了解,你有什么理由不好好讲呢?”他说。

  “科普,我一定会坚持下去的,这是科学家的责任和义务!”李孝辉表示。

 

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