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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