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专家详解导航卫星的“心脏”——原子钟

2017-08-03 来源:未知 人气: 评论

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  前不久,中国航天科工集团公司传来喜讯,该集团二院203所启动汞离子微波钟研制。作为新一代原子钟,它有望应用于下一代北斗导航卫星

  有人可能会犯迷糊:原子钟是什么钟,跟导航有什么关系?203所星载氢钟主管设计师王文明告诉科技日报记者,原子钟就是导航卫星的“心脏”。

  “从根本上说,导航的核心就是时间测量。”王文明说,在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。在信号传播速度(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(十亿分之一秒)的时间误差将导致0.3米的距离误差。要实现如此精密的时间测量,只有原子钟能做到。王文明说,原子钟是通过原子这一微小量子构件,实现普通钟表一般的“嘀嗒”声。不同的是,这种“嘀嗒”更均匀,表现为一种电磁波形式,通常听不见,只有通过微波信号处理技术才能输出。

  如何让原子钟的精密测量为我们所用?王文明举例说,跳大绳是大家非常熟悉的运动,当有人进入匀速摇动的大绳,随着它的节奏跳动,并记录一定时间内跳动的次数,就相当于人为地将这种时间间隔进行了输出。原子内部存在着上下两个能级结构,原子在其间跃迁发出的电磁波精度非常高。如果把原子量子构件比作大绳,当我们往里注入一个电磁波,让电磁波与原子二能级发生共振,就能将产生电磁波的振荡器锁定到原子二能级跃迁频率上。振荡器输出高精度频率信号,即可实现精密时间测量。目前导航卫星中普遍应用的氢、铷、铯原子钟,都是基于这一工作原理。

  在当前全球四大卫星导航系统中,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。

  在“老三样”原子钟里,铷原子钟具有体积小、重量轻、功耗低、技术难度较低、可靠性高等优势,被四大导航系统普遍采用。2007年,我国自主研制的铷原子钟上天服役,中国人终于有了自己的星载原子钟。科技日报记者从203所了解到,北斗二号导航卫星全部采用铷原子钟。该所共研制了16台星载铷钟,目前均在轨稳定运行。

  北斗三号导航系统提出了定位精度0.1米、授时精度0.3纳秒的设计指标,对原子钟稳定度提出了极高要求,即秒稳优于1×10-12、日稳优于1×10-14。考虑到特殊情况的应对,还要求其日漂移率优于5×10-15,以降低系统全球应用时的校时压力和对地面的依赖程度,并保障系统拥有半年以上的自主导航能力。王文明说,铷原子钟在精度上符合指标,但漂移率无法满足中长期自主导航要求;铯原子钟的最大优势是低漂移特性,但其使用寿命是最大短板,其中几项关键技术仍需攻关,目前国际上只有美国掌握。目前203所已经组建星载铯原子钟团队开展研制,期待在后续北斗导航项目中能够配备应用。

  氢原子钟分为主动和被动两种类型。主动型稳定度指标最优,但体积较大,一般用于地面守时。被动型的体积、重量和功耗相对较小,稳定度指标仅次于主动型,多用于地面移动平台和卫星。王文明说,被动型氢原子钟凭借独有的选态组件和储存泡结构特性,可获得较为理想的原子跃迁谱线,使其稳定度指标在“老三样”中最优,但研制难度也最高。其漂移率虽不及优选型铯原子钟,但足以保障导航系统实现半年以上的自主导航,这使它成为目前最具有竞争力的星载原子钟。2015年9月,203所研制的国内首台星载氢原子钟随北斗卫星上天,目前在轨运行正常。

  记者了解到,203所是国内唯一同时开展氢、铷、铯三种原子钟研制单位。而该所最近启动研制的汞离子微波钟,在未来深空探测和卫星导航领域有明显的优势。微波钟是目前最精确的时间测量器具之一,也是世界公认最难研制的原子钟系统之一。汞离子钟对空间环境适应能力强,在体积功耗不变的情况下,能比现有主流原子钟指标提高1至2个数量级,是新一代星载原子钟的发展方向。


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