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我国新一代北斗导航卫星首次搭载氢原子钟

发布时间:2015-10-09

星载氢原子钟示意图

  9月30日7点13分,中国航天科工二院203所研制的星载氢原子钟跟随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。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。可以毫不夸张的说,在军事现代化的今天,一个国家的导航卫星的研制水平和能力直接决定一个国家的战时军事应对能力,因为没有准确的定位就谈不上精准的打击,而这个精准定位的核心就是原子钟。

  203所研制的多个批次星载铷原子钟已多次跟随北斗导航卫星成功发射并稳定可靠运行,此次星载氢原子钟跟随新一代导航卫星成功首发,标志着203所原子钟研究领域技术水平和研制能力跨上一个新的台阶,真正实现了技术自主化,破除了国外在该领域的关键技术封锁和高端产品及元器件禁运的藩篱。这将直接助推北斗卫星导航系统总体性能的飞跃,是中国北斗导航卫星发展史上的一个重要里程碑。

  在卫星导航系统中,1ns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是决定导航定位精度。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。新一代导航系统定位精度0.1m、授时精度0.3ns的设计要求,对原子钟稳定度提出更高的要求,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来占领导航定位市场和提升军事应用能力。

  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三样原子钟(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。目前,203所已经组建星载铯原子钟团队进行研制星载铯钟,期待在后续的北斗导航项目中配备应用。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,一般用于地面守时。被动型的体积、重量和功耗相对较小,可搬运,稳定度指标仅次于主动型,多用于地面移动平台和卫星。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三样中最优,当然研制难度也是传统三样中最高的。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。

  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,这将大幅提升新一代北斗导航系统的导航精度、授时水平和延长自主导航时间,大幅降低北斗导航系统对地面的依赖程度,为非常时期的导航定位提供了保障。

  据北斗导航系统全球组网建设计划,2018年可为“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。可以预见,未来五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。203所星载氢原子钟研制团队将秉承航天人一贯的严谨细实、脚踏实地的工作作风,继续恪守质量至上、品质第一的航天精神,保质保量的为北斗导航系统提供高可靠高精度的星载氢原子钟,为我国北斗导航事业的发展贡献力量。

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