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让北斗授时百万年只差1秒 ​上海天文台氢原子钟至今稳定运行

卫星与网络2018-11-07 13:03:22

由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。




我国自主研制的北斗卫星导航系统,将于2018年形成面向“一带一路”沿线国家的服务能力,2020年形成全球服务能力。由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。


作为一种精密的计时器具,氢原子钟的精度到底有多高?“机械表1天差不多有1秒误差,石英表1天大概有0.1秒误差,而氢原子钟数百万年才有1秒误差。”星载氢原子钟项目负责人帅涛说。


为改善导航系统指标,国外主要卫星导航系统都配置了高性能原子钟,如美国GPS卫星配置了铯原子钟和铷原子钟,欧洲伽利略卫星、俄罗斯格洛纳斯卫星配置了氢原子钟和铷原子钟。铷原子钟和铯原子钟各有特色,铷原子钟造价比较便宜,但精度相对较差;铯原子钟长时间性能好,比较适合用于地面时间基准;氢原子钟的短中期性能比前面两个都好,适合用于导航卫星时间维持。


我国北斗局域系统卫星仅配置了铷原子钟,目前其在轨服务能力可满足我国区域导航定位要求。北斗全球系统卫星以提供全球高精度导航定位服务能力为目标,对星载原子钟提出了更高要求。星载氢原子钟稳定程度高,但技术难度大,而且国外对该项技术出口限制非常严格。


上海天文台上世纪70年代研制出我国首台地面主动性氢原子钟。从2003年开始,天文台启动了星载氢原子钟研究项目。和地面产品使用的原子钟不同,星载氢原子钟除需具备高稳定性、高精度外,还需产品体积小、重量轻、可靠性高,能经受卫星发射期间震动、冲击等力学考验,能适应卫星在轨运行期间的高低温环境和空间辐射环境,并且能在轨连续稳定工作12年以上。


如何让数百公斤重的主动性氢原子钟瘦身,成为科研团队需跨过的一道“坎”。为了让氢原子钟“瘦”到100多公斤的极限,研究团队果断转向研制被动型氢原子钟。在首席科学家林传富研究员的带领下,团队经过6年的原理探索和技术工程化改造,终于突破了关键技术,完成星载氢原子钟研制所需的各项技术积累,其中电极式微波腔技术、双频电路技术等应用于氢原子钟更是国际首创。


不过,当时的氢原子钟整机依然有35公斤,这对于一颗卫星来说还是太重,而且每重1公斤就会给卫星搭载增加一份重大的负担。经过一次次技术攻关,最后终于成功“瘦身”到25公斤。


目前,上海天文台已具备每年4台氢原子钟的研制能力。


本文来源《解放日报》  记者:黄海华




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