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 去年9月30日,搭载中国首台氢原子钟的第四颗新一代北斗导航卫星,在西昌卫星发射中心成功发射,据悉,此前发射的北斗导航卫星搭载的原子钟为铷原子钟,上海天文台自主研发的星载氢原子钟,首次搭载北斗实验卫星,自去年11月9日开机稳定运行至今。

原子钟是以原子钟共振频率标准来计算及保持时间的精度和稳定性,是世界上已知最准确的时间测量和频率标准。原子钟是导航卫星的最关键载荷之一,决定了导航系统导航定位、测速及授时精度。在卫星导航系统中,1纳秒时间测量误差将引起0.3米的测距误差,因此,卫星导航系统对原子钟的性能指标有很高的要求。

当前全球四大卫星导航系统中,美国的GPS导航卫星采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式;欧盟的伽利略(Galileo)导航卫星采用了铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式;俄罗斯Glonass-K三代导航卫星也将采用铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式。

纵观国内外导航卫星所配备原子钟的方案不难发现,均使用两种不同时域稳定度优势互补的原子钟来保证卫星的守时能力,且种类均为技术发展成熟的传统3样(氢、铷、铯)原子钟。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四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。新一代高精度铷原子钟虽然满足导航卫星在地面主控站不断同步校准下的指标要求,但无法满足导航系统中长期自主导航能力要求。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,但铯原子钟的使用寿命短是致命的短板,几项关键技术仍未彻底攻关,目前国际上仅有美国掌握其关键技术。

据专家介绍,氢原子钟分为主动型和被动型两种类型,主动型稳定度指标最优,但是体积较大;被动型体积、重量和功耗相对较小,可搬运,稳定度指标仅次于主动型。另外,被动型氢原子钟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,使其稳定度指标在传统3样中最优,当然研制难度也是传统3样中最高的。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。

目前203所研制的星载氢原子钟稳定度和漂移率等关键指标,均已达到国际一流水平。

新华社北京1月18日电 (记者胡喆)日前我国采取“一箭双星”方式,成功发射了北斗三号导航卫星第三、四颗组网卫星。记者从中国航天科工集团二院203所获悉,这两颗卫星上均装载了203所研制的一台铷原子钟和一台氢原子钟,技术指标达到国际先进水平。

据悉,原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备,其研发涉及量子物理学、电学、结构力学等众多学科,目前国际上仅少数国家具有独立研制能力。星载原子钟主要应用于导航系统,分为氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟3种。

作为导航卫星的“心脏”之一,高性能的星载原子钟对导航精度起到重要作用。航天科工二院203所星载铷钟项目负责人杨同敏介绍,相比此前的北斗工程中单纯采用铷原子钟,此次发射的北斗三号导航卫星上不仅装有新一代高精度铷原子钟,且比前代产品体积更小、重量更轻,技术性能大幅提升,达到国际先进水平。

星载氢原子钟包括物理和电路两部分,构成较为复杂。为满足卫星发射及在轨运行时需要面对的振动、温度、辐照等环境要求,进一步增加了研制难度。航天科工二院203所星载氢钟项目负责人部英男表示,目前203所研制的星载氢原子钟在技术性能及可靠性上均达到国际同类产品水平,为北斗三号组网卫星的高性能、长寿命要求提供了有力保障。

“作为无线电时间频率计量标准领域的尖端技术,我国正在进入星载原子钟研制的"无人区"。”航天科工二院203所党委书记韩志平告诉记者,未来中国的星载原子钟将会有更多原创性突破,为保障我国航天事业发展提供重要支撑。

 

来源:新华社     时间:2018-01-18
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