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新一代北斗导航卫星首次搭载氢原子钟

时间:2015-10-12 13:16:16 来源:中国质量新闻网

 
    2015年9月30日7时13分,航天科工集团二院203所(以下简称203所)研制的星载氢原子钟跟随第4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,这是自2000年我国发射北斗导航卫星以来,首次搭载氢原子钟。此次卫星入轨后,将开展星载氢原子钟、星间链路、新型导航信号体制等试验验证工作,并适时入网提供服务。
 
    原子钟是北斗导航卫星的最关键载荷之一,是时频分系统的心脏,决定导航系统导航定位、测速及授时精度,是一个国家能否具备独立发展导航系统能力的核心标志之一。在军事现代化的今天,一个国家导航卫星的研制水平和能力,直接决定其战时军事应对能力。因为没有准确的定位,就谈不上精准地打击,而这个精准定位的核心就是原子钟。
 
    据203所有关技术专家介绍,在卫星导航系统中,1ns(纳秒)的时间测量误差,将会引起0.3m的测距误差。因此,时间的精密测量,决定导航定位的精度。考虑到卫星星历的不确定性、电离层传输延迟及定位误差几何分布等诸多因素对时间测量精度的影响,卫星导航系统对原子钟的性能指标就提出了更高的要求。
 
    例如,新一代导航系统定位精度0.1m、授时精度0.3ns的设计要求,对原子钟稳定度近乎苛刻,即秒稳优于1×10-12和日稳优于1×10-14。考虑到导航系统在非常时期应具备的自主导航能力,要求原子钟的日漂移率优于5×10-15,以保障北斗导航系统拥有半年以上的自主导航能力,从而显著降低北斗导航卫星系统全球应用时的校时压力和对地面的依赖程度。要满足上述诸多要求,研制高稳定高可靠高指标重量轻的原子钟成为必然趋势和要求,世界各国争先恐后致力于不断攻克相关技术难关,努力研制出更高指标的原子钟,以领导航定位市场和提升军事应用能力。
 
    据悉,当前全球四大卫星导航系统中,美国GPS导航卫星采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式,欧盟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,我国新一代北斗导航卫星正在开展铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式。
 
    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。
 
    实验结果显示,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。此次星载氢原子钟在北斗导航系统的应用,可大幅提高导航精度、性能和自主维持能力,大幅降低北斗导航系统对地面的依赖程度,能够自主导航180天,为北斗导航卫星的军事应用提供重要保障。
 
    根据北斗导航系统全球组网建设计划,2018年其可为“一带一路”沿线国家提供基础服务,2020年左右将具备全球服务能力,这将成为我国自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容共用,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、测速、授时服务,且独具短报文通信能力特色的全球卫星导航定位系统。
 
    专家分析称,未来5年将成为新一代导航卫星的密集组网发射期,203所原子钟研制团队将迎来更多的机会和挑战。  《中国质量报》
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