北斗导航卫星的“心脏”是这样跳动的

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》