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北斗导航卫星的“心脏”是这样跳动的

2018-02-13 09:58:42 中国质量新闻网-中国质量报

北斗导航卫星的“心脏”是这样跳动的

航天科工二院203所原子钟技术让无形而又无处不在的时间测得更精准

□ 吴 巍 本报记者 王惜纯

北斗导航卫星的“心脏”是星载原子钟。目前,我国自主研发的新一代星载原子钟的技术指标已达到国际先进水平。这是记者近日从中国航天科工集团二院203所(以下简称航天科工二院203所)获悉的。

那么,北斗导航卫星的“心脏”是怎么跳动的?

生活中我们常以分秒来计时,而在当今的太空探测、通信导航、天文观测、工业自动化等领域,却越来越需要更精密的时间测量,时间常常被准确到万分之一秒,甚至百万分之一秒。为了达到这一要求,许多精密的计时器诞生了,原子钟就是其中之一。

原子钟是利用原子在不同能级(数值高度确定)吸收或释放能量时发出的电磁波的频率周期作为计时单位的。由于这种电磁波产生于原子内部微观运动其频率属于自然频率,所以非常稳定。

作为国内唯一一家同时具有氢钟、铷钟、铯钟生产能力的研制单位,航天科工二院203所有关技术专家解释说,由于原子钟涉及量子力学、电磁学、材料学、热学、真空物理、电子学等多学科,是一个高精度、多交叉的学科产物,研制难度很大。相较于人类的手表几天就会同标准时间相差一秒,原子钟要求指标高,其准确度在E的-12次方,稳定度要求在E的-14次方,如果扣除钟漂移,至少上万年才会有一秒钟差。除了指标,其可靠性要求更高,原子钟一旦开机就要连续运转,这就意味着工作到“寿终正寝”,中间不能出现任何问题。

“原子钟的调试测试周期都很长,尤其是在调试测量日频率稳定度时,一改锥下去,打开机盖,就意味着要等15天时间,才能准确评估这台钟是否达标,两改锥就一个月出去了。这就意味着,要花费大量的时间来进行调试。”203所原子频率标准研究室主任高连山介绍说。

记者了解到,铷原子钟具有体积小、重量轻、功耗低、技术难度相对较低、可靠性高等优势,被全球4大导航系统普遍采用,但其长期稳定度和漂移率指标相对较差。被动型氢原子钟体积、重量和功耗相对较小,可搬运,因其独有的选态组件和储存泡结构特性,使得其可获得较为理想的原子跃迁谱线,其稳定度指标相比铷钟、铯钟最优。其漂移率虽不及优选型铯原子钟,但可保障导航系统长达半年以上的自主导航能力,这使得氢钟成为卫星导航中最具有竞争力的原子钟。铯原子钟的最大优势是低漂移特性,主要用于导航卫星的长期自主守时,可满足非常时期的应用需求,但铯原子钟的几项关键技术,目前国际上仅有美国掌握。

在当前全球4大卫星导航系统中,美国GPS采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式。欧盟的伽利略、俄罗斯的三代格洛纳斯以及我国正在建设的北斗三号,均采用铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式。我国北斗卫星采用了3种轨道:MEO、GEO和IGSO,更具特色,不仅有助于在中国国土面积内更好地对北斗进行控制,还具备了独有的短报文服务。

航天科工二院203所氢钟团队骨干王文明博士介绍说,由导航卫星搭建的星地坐标系中,每个星座都有自己的坐标信息,通过测量我们与星座间的距离,就能解算出我们在该坐标系的位置。在光速已知的前提下,时间测量越精密,位置解算就越精确。在卫星导航系统中,1纳秒的时间测量误差将会引起0.3米的测距误差,因此时间的精密测量决定着导航定位精度。如果没有高精度时间测量神器原子钟,就无法实现准确导航。原子钟是整个导航的核心,没有原子钟就没有导航。

导航卫星一般由20余颗组成,每颗卫星都搭载着一组原子钟,原子钟的体积小、重量轻、功耗小,为了提高钟组可靠性,一般采用1台主钟加备份钟的方案,一旦工作异常,钟组无损切换。同时,原子钟的时间同地面的标准时间还要定期进行校对,每经过地面站的时候都要进行校对,以确保原子钟的准确度。

专家指出,北斗导航系统全国产化星载原子钟的批量搭载,标志着我国原子钟发展已经摆脱了国外技术封锁,并实现了从跟跑到并驾齐驱的跨越。目前,我国正着力研制新一代更高性能水平原子钟,以期达到国际一流水准。 《中国质量报》

(责任编辑: 六六 )
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