本報記者 張梅文/圖

　　學(xué)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(xué)會時間頻率委員會副主任、中國衛(wèi)星導(dǎo)航重大專項專家組成員。他長期致力于時間頻率測量和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(xiàn)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(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(shù)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(jìn)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?！氨本r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(fēng)雨歷程中，有一群科研工作者，為了提高國家標(biāo)準(zhǔn)時間的性能，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)時間的應(yīng)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(yùn)行”

　　能參與我國衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究，并為其作出了重要貢獻(xiàn)，李孝輝倍感自豪。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在國防經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，發(fā)展自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國迫切的戰(zhàn)略需求。2002年，中國科學(xué)院院士艾國祥創(chuàng)新性地提出“中國區(qū)域定位系統(tǒng)”（簡稱CAPS）項目，經(jīng)中科院批準(zhǔn)列為院知識創(chuàng)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(lián)合研究。

　　作為國家授時中心當(dāng)時為數(shù)不多的博士研究生，李孝輝被安排進(jìn)入項目組，開始了我國獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研制攻關(guān)。

　　導(dǎo)航的基礎(chǔ)是高精度的時間。GPS把原子鐘放在衛(wèi)星上，只需要播發(fā)星載鐘的時間就可以了。但是，當(dāng)時我國星載原子鐘技術(shù)不過關(guān)，無法實現(xiàn)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(shè)想，即利用通信衛(wèi)星，在地面將原子鐘的信號發(fā)射向通信衛(wèi)星。通信衛(wèi)星收到信號以后，轉(zhuǎn)發(fā)到地面附近的用戶?！昂唵握f來就是，衛(wèi)星上沒有原子鐘，我們虛擬出來了一臺，使它起到了和衛(wèi)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(wèi)星的距離和衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)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(wù)挪到地面？如何利用通信衛(wèi)星的條件設(shè)計適宜導(dǎo)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?！案鶕?jù)這個計算方法，衛(wèi)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(fā)多收的相對校準(zhǔn)方法，非常準(zhǔn)確地標(biāo)定了接收系統(tǒng)的時延?！彼榻B。

　　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(yùn)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(jīng)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(guān)鍵時期，需要進(jìn)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(jìn)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(jī)前寫算法、驗證算法、修改算法?！?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(tài)嗎？”李孝輝說，“在項目驗收的關(guān)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(jìn)來的。我們輪流值守，累了就躺在凳子上睡會?？蒲泄リP(guān)就是這樣，不僅要拼腦力，還要拼體力！”

　　當(dāng)然，還要拼膽識。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)做得好與壞，關(guān)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(dǎo)致實際上30厘米的距離差。為了能準(zhǔn)確控制電纜時延，他親自去導(dǎo)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(yīng)一下才能再進(jìn)來安裝。有一次，在校準(zhǔn)天線的時候，天降大雪。為了避免大雪影響信號發(fā)射，李孝輝冒著被輻射的風(fēng)險，爬到天線上除雪，確保發(fā)射信號的正常。

　　天道酬勤。經(jīng)過兩年的持續(xù)攻關(guān)，虛擬星載原子鐘成功了，開創(chuàng)了無星載原子鐘實現(xiàn)被動衛(wèi)星導(dǎo)航的先河。虛擬星載原子鐘將衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)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(fā)展獨(dú)立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)?！懊绹?0年時間，才做出GPS，我們只用了兩年時間，就實現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)，這是相當(dāng)令人鼓舞的，大家也都更有干勁和信心了！”他表示。

　　隨著經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展，需要更高水平的精密頻率測量。但是，傳統(tǒng)的精度提高主要依賴于工藝水平的提高，已經(jīng)沒有提升空間。這一領(lǐng)域迫切需要理論和方法創(chuàng)新。針對我國實際情況，李孝輝提出了差拍數(shù)字化精密頻率測量方法，解決了精密測頻的發(fā)展問題。2009年，團(tuán)隊成功研制出多通道數(shù)字化頻率穩(wěn)定度分析儀，在同樣電路噪聲環(huán)境下，比傳統(tǒng)方法的測量精度提高了近50倍，實現(xiàn)了數(shù)字方法在精密測頻中的應(yīng)用，測頻精度達(dá)到國際先進(jìn)水平。

　　“在時間領(lǐng)域，精雕細(xì)琢、創(chuàng)新突破，立足時間頻率，發(fā)展衛(wèi)星導(dǎo)航，滿足國家需求，是我們的使命和責(zé)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(jīng)出版了《時間的故事》《導(dǎo)航1號檔案》《圖解時間》《北京時間——長短波授時系統(tǒng)》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(xué)。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(chǎn)生講到了時間最后的結(jié)局。在書中，他開篇即引導(dǎo)讀者從身邊的事物去感受時間，然后幫助讀者認(rèn)識時間的重要性，理解時間是如何產(chǎn)生的，進(jìn)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?！皶r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(lián)網(wǎng)上的大法官，間或充當(dāng)交通運(yùn)輸?shù)募t綠燈，說明時間在現(xiàn)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(xué)，李孝輝下了很多功夫?！稌r間的故事》每寫完一章，他就講給當(dāng)時讀小學(xué)的女兒聽，根據(jù)孩子的意見來修改。雖然科研任務(wù)重，工作很忙，但是他從來不覺得做科普是在浪費(fèi)時間。“實際上，要把科學(xué)研究通俗地表達(dá)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(jìn)作用?！彼f。

　　除了撰寫科普著作，他還經(jīng)常擠出時間通過講座、報告等形式，為大家講述時間科學(xué)。每一次講座，他都會根據(jù)群體的不同，修改講座內(nèi)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(rèn)真地記筆記?！按蠹以敢馊チ私?，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(xué)家的責(zé)任和義務(wù)！”李孝輝表示。

http://esb.sxdaily.com.cn/pc/content/201910/08/content_89907.html