科学|作为北斗导航卫星“心脏”，这台钟数百万年甚至1千万年才有1秒误差|新科普
摘要：时间是导航卫星的核心
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原子钟是北斗导航卫星的“心脏” ， 直接决定了导航定位精度 。 导航系统的本质是一个时间测量系统 ， 若卫星存在十亿分之一秒（1纳秒）的时间误差 ， 则会产生0.3米的测距误差 。 只有通过在卫星上配置高精度原子钟 ， 才能实现卫星直接播发出高精度导航定位信号 。
作为新一代北斗导航卫星的三项关键技术之一 ， 中科院上海天文台研制的被动型星载氢原子钟 ， 约合数百万年甚至1千万年才有1秒误差 ， 日前获得2019年上海市科技进步一等奖 。
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时间是导航卫星的核心
时间是导航卫星的核心 。 卫星导航定位的基本原理 ， 是在空间布置一定构型的卫星星座 ， 每颗卫星均配置高性能原子钟 。 用户终端通过测量卫星信号到达终端的时间差 ， 解算终端的位置 。
根据量子力学原理 ， 原子具有不连续的能量数值 ， 当原子从一个能级跃迁至另一个能级时 ， 其吸收或释放的电磁波频率是固定的 ， 原子钟就是利用原子跃迁产生固定频率的电磁波进行计时的工具 。 被动型星载氢原子钟通过发射探测信号激励基态高能级的氢原子 ， 实现高精细能级跃迁 。
GPS、格洛纳斯、北斗和伽利略等四大全球导航系统的卫星均配置了高性能原子钟 ， 包括铷钟、铯钟和氢钟 。 铷钟体积小、重量轻 ， 但频率漂移较大；铯钟频率准确度高 ， 但中短期频率稳定度差；氢钟频率稳定度好、漂移率小 ， 对导航信号精度的提升非常有益 ， 但体积重量相对较大 。 氢钟数小时短期预报略好于铷钟 ， 而数天长期预报好于铷钟一个数量级 。
作为一种精密的计时器具 ， 氢钟的精度到底有多高？“机械表一天差不多有1秒误差 ， 石英表一天大概有0.1秒误差 ， 而氢钟一天误差仅零点几纳秒 ， 约合数百万年甚至1千万年才有1秒误差 。 ”北斗三号卫星星载氢钟项目负责人、上海天文台帅涛研究员告诉解放日报?上观新闻采访人员 。
目前 ， 国外仅欧洲伽利略卫星配置了星载氢钟 ， 与我国星载氢钟相比 ， 两者地面测试性能相当 ， 但从在轨综合表现来看 ， 我国星载氢钟实现的用户测距误差更小 。 “氢钟为我国北斗导航卫星系统与GPS、伽利略等卫星导航系统同台竞技提供了有力的技术支撑 。 ”我国航天工程领域一位院士评价 。
大幅度提升北斗导航卫星系统时间基准精度
上海天文台在时间频率学科方面具有良好的研究基础 ， 自上世纪60年代起承担我国世界时的授时工作 ， 70年代研制出我国首台地面主动型氢原子钟 。 主动型氢钟频率稳定性好 ， 但其体积重量过大 ， 无法满足导航卫星配置要求 。
针对北斗导航卫星星上应用 ， 上海天文台于2002年启动我国首台被动型星载氢钟的研制 。 2010年 ， 星载氢钟项目组在中国科学院和北斗重大专项的支持下 ， 联合上海航天电子技术研究所和中科院上海技术物理研究所等单位开展了星载氢钟的工程化研制工作 。 2015年9月 ， 由上海天文台研制的我国首台星载氢钟随新一代北斗导航卫星上天应用 。 到2019年 ， 已研制完成了多台北斗组网卫星星载氢钟 。 在导航试验卫星阶段 ， 有2台氢钟随试验卫星发射入轨进行了应用验证；在北斗三号组网卫星工程中 ， 已有16台发射入轨应用 ， 运行情况良好 ， 性能指标和可靠性达到国际先进水平 ， 大幅度提升了北斗导航卫星系统的时间基准精度 。
核心元器件全部国产化
我国首台星载氢钟首创和突破了多项关键技术 ， 核心元器件全部国产化 ， 实现了导航卫星“心脏”完全自主可控 。
星载氢原子钟由物理和电路两部分组成 。 物理部分由腔泡系统、真空系统、原子置备系统、磁屏蔽系统以及准直和选态系统等系统组成 。 电路部分包括主伺服电路、恒温电路、高压源模块和恒流源模块等子系统 。
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氢钟在太空下的工作环境存在一定的温度波动 ， 而电路参数对温度较为敏感 。 为实现氢钟的长期稳定性 ， 上海天文台研究人员首创了氢钟时分双频调制技术 。 该技术采用两个调制频率对本地探测信号进行相位调制 ， 实现晶振频率和微波腔频率锁定至原子跃迁频率 。 研究人员利用原子跃迁信号分时控制方式 ， 分离了原子跃迁探测信号和微波腔探测信号 ， 解决了这两个信号之间相互干扰的难题 ， 这不仅有效降低了氢钟输出频率对纠偏信号幅相变化的敏感性 ， 使得电路对环境的敏感度降低 ， 温度系数指标达到国际先进水平 ， 与此同时也为氢钟实现优异的长期频率稳定度和漂移率指标提供了保障 。
研制团队首次在氢钟上应用了原创的电极式微波腔 ， 新型电极式微波腔的腔Q值达到8000以上 ， 相比磁控管微波腔重量轻了10% ， 物理系统信号增益更高 ， 一般磁控管腔的信号增益为2.5分贝,新型电极式微波腔的信号增益超过3分贝 ， 为氢钟高稳定度指标的实现奠定了基础 。
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在卫星真空环境下 ， 原子碰撞容易导致电离泡发热老化及电磁波透波效率降低的问题 ， 研制团队提出并实现了基于国产功率管和氮化硼材料的新型电离源系统 ， 利用氮化硼材料的透波散热特性 ， 解决了电离源因高发热导致可靠性降低的难题 ， 电离源温度由80℃以上降低到50℃以下 ， 相比传统结构具有更通畅的传热途径和更高的传热效率 ， 提高了电子元器件在轨工作寿命 ， 保证了氢钟电离源系统的高效可靠运行 。
主用和备用原子钟可实现无缝切换
如果氢钟在空中突然发生故障怎么办？“不用担心 ， 卫星配置了时频生成与保持系统 ， 可以实现主用原子钟和备用原子钟之间无缝切换 ， 切换前后卫星时间变化小于20皮秒（1皮秒等于一万亿分之一秒） ， 对应的用户测距误差小于1厘米 。 ”帅涛告诉解放日报?上观新闻采访人员 ， 这就意味着 ， 如果开车时卫星切换了星载原子钟 ， 用户完全察觉不到导航定位信号发生了改变 。
为适应下一代高集成度导航卫星发展需要 ， 研究团队在保证性能指标的同时 ， 把氢钟重量减轻了一半左右 。 第一代星载氢钟24公斤 ， 今年刚完成研制的只有13公斤 ， 功耗也降低了10%左右 。 解决了航天产品小型化、轻量化和空间适应性等问题 ， 成功实现了我国星载氢钟的首次在轨应用 。
未来 ， 除了用于导航卫星 ， 氢钟还将用于空间甚长基线干涉测量等科学实验 。
据介绍 ， 尽管氢钟项目不涉及到直接的投资经济回报 ， 但作为北斗导航重大专项的一部分 ， 其带动和促进了航天、新材料和国产电子器件等高新技术的发展 ， 进而在国民经济和国防建设等方面产生了很好的经济效益 。
【科学|作为北斗导航卫星“心脏”，这台钟数百万年甚至1千万年才有1秒误差|新科普】从2002年启动被动型星载氢钟的研制 ， 到2015年首台星载氢钟上天应用 ， 上海天文台研制团队走过了一段不短的路 。 特别是在早期星载氢钟鉴定产品和正样产品研发的那段日子 ， 每天加班2、3个小时是“家常便饭” ， 仿真分析、试验验证、改进提升、迭代验证 ， 一次次修改 ， 一次次完善 。 “也会有烦躁的时候 ， 但只要有一丁点进展 ， 大家都会兴奋好几天 ， 彼此鼓励着 ， 继续往前走 。 ”
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