專家詳解導航衛星的“心髒”——原子鍾

　　前不久，中國航天科工集團公司二院203所啟動汞離子微波鍾研製。作為新一代原子鍾
，它有望應用於下一代北鬥導航衛星。

　　有人可能會犯迷糊：原子鍾是什麼鍾，跟導航有什麼關係?203所星載氫鍾主管設計師王文明告訴記者，原子鍾就是導航衛星的“心髒”。

　　“從根本上說，導航的核心就是時間測量。”wangwenmingshuo，zaiyoudaohangweixingdajiandexingdizuobiaoxizhong
，meigexingzuodouyouzijidezuobiaoxinxi，tongguoceliangwomenyuxingzuojiandejuli
，jiunengjiesuanchuwomenzaigaizuobiaoxideweizhi。zaixinhaochuanbosudu(光速)已知的前提下
，時間測量越精密，位置解算就越精確。

　　在衛星導航係統中

，1納秒(十億分之一秒)的時間誤差將導致0.3midejuliwucha。yaoshixianrucijingmideshijianceliang，zhiyouyuanzizhongnengzuodao。wangwenmingshuo，yuanzizhongshitongguoyuanzizheyiweixiaoliangzigoujian，shixianputongzhongbiaoyibande“嘀嗒”聲。不同的是
，這種“嘀嗒”更均勻

，表現為一種電磁波形式，通常聽不見
，隻有通過微波信號處理技術才能輸出。

　　如何讓原子鍾的精密測量為我們所用?王wang文wen明ming舉ju例li說shuo，跳tiao大da繩sheng是shi大da家jia非fei常chang熟shu悉xi的de運yun動dong，當dang有you人ren進jin入ru勻yun速su搖yao動dong的de大da繩sheng，隨sui著zhe它ta的de節jie奏zou跳tiao動dong，並bing記ji錄lu一yi定ding時shi間jian內nei跳tiao動dong的de次ci數shu
，就jiu相xiang當dang於yu人ren為wei地di將jiang這zhe種zhong時shi間jian間jian隔ge進jin行xing了le輸shu出chu。原yuan子zi內nei部bu存cun在zai著zhe上shang下xia兩liang個ge能neng級ji結jie構gou，原yuan子zi在zai其qi間jian躍yue遷qian發fa出chu的de電dian磁ci波bo精jing度du非fei常chang高gao。如ru果guo把ba原yuan子zi量liang子zi構gou件jian比bi作zuo大da繩sheng，當dang我wo們men往wang裏li注zhu入ru一yi個ge電dian磁ci波bo，讓rang電dian磁ci波bo與yu原yuan子zi二er能neng級ji發fa生sheng共gong振zhen，就jiu能neng將jiang產chan生sheng電dian磁ci波bo的de振zhen蕩dang器qi鎖suo定ding到dao原yuan子zi二er能neng級ji躍yue遷qian頻pin率lv上shang。振zhen蕩dang器qi輸shu出chu高gao精jing度du頻pin率lv信xin號hao，即ji可ke實shi現xian精jing密mi時shi間jian測ce量liang。目mu前qian導dao航hang衛wei星xing中zhong普pu遍bian應ying用yong的de氫qing


、銣、銫原子鍾，都是基於這一工作原理。

　　在當前全球四大衛星導航係統中
，美國GPS采用了銫原子鍾和銣原子鍾結合的方式。歐盟的伽利略
、俄羅斯的三代格洛納斯以及我國正在建設的北鬥三號
，均采用銣原子鍾和被動型氫原子鍾相結合的授時方式。

　　在“老三樣”原子鍾裏，銣原子鍾具有體積小
、重量輕

、功耗低、技術難度較低

、可靠性高等優勢，被四大導航係統普遍采用。2007年
，我國自主研製的銣原子鍾上天服役，中國人終於有了自己的星載原子鍾。記者從203所了解到，北鬥二號導航衛星全部采用銣原子鍾。該所共研製了16台星載銣鍾，目前均在軌穩定運行。

　　北鬥三號導航係統提出了定位精度0.1米、授時精度0.3納秒的設計指標，對原子鍾穩定度提出了極高要求，即秒穩優於1×10^-12、日穩優於1×10^-14。考慮到特殊情況的應對，還要求其日漂移率優於5×10^-15，yijiangdixitongquanqiuyingyongshidexiaoshiyaliheduidimiandeyilaichengdu
，bingbaozhangxitongyongyoubannianyishangdezizhudaohangnengli。wangwenmingshuo，ruyuanzizhongzaijingdushangfuhezhibiao，danpiaoyilvwufamanzuzhongchangqizizhudaohangyaoqiu;銫原子鍾的最大優勢是低漂移特性，但其使用壽命是最大短板，其中幾項關鍵技術仍需攻關，目前國際上隻有美國掌握。目前203所已經組建星載銫原子鍾團隊開展研製，期待在後續北鬥導航項目中能夠配備應用。

　　氫原子鍾分為主動和被動兩種類型。主動型穩定度指標最優，但體積較大，一般用於地麵授時。被動型的體積
、zhonglianghegonghaoxiangduijiaoxiao
，wendingduzhibiaojinciyuzhudongxing，duoyongyudimianyidongpingtaiheweixing。wangwenmingshuo，beidongxingqingyuanzizhongpingjieduyoudexuantaizujianhechucunpaojiegoutexing
，kehuodejiaoweilixiangdeyuanziyueqianpuxian，shiqiwendingduzhibiaozai“老三樣”中(zhong)最(zui)優(you)，但(dan)研(yan)製(zhi)難(nan)度(du)也(ye)最(zui)高(gao)。其(qi)漂(piao)移(yi)率(lv)雖(sui)不(bu)及(ji)優(you)選(xuan)型(xing)銫(se)原(yuan)子(zi)鍾(zhong)，但(dan)足(zu)以(yi)保(bao)障(zhang)導(dao)航(hang)係(xi)統(tong)實(shi)現(xian)半(ban)年(nian)以(yi)上(shang)的(de)自(zi)主(zhu)導(dao)航(hang)，這(zhe)使(shi)它(ta)成(cheng)為(wei)目(mu)前(qian)最(zui)具(ju)有(you)競(jing)爭(zheng)力(li)的(de)星(xing)載(zai)原(yuan)子(zi)鍾(zhong)。2015年9月
，203所研製的國內首台星載氫原子鍾隨北鬥衛星上天
，目前在軌運行正常。

　　記者了解到，203所是國內唯一同時開展氫
、銣、sesanzhongyuanzizhongyanzhidanwei。ergaisuozuijinqidongyanzhidegongliziweibozhong，zaiweilaishenkongtanceheweixingdaohanglingyuyoumingxiandeyoushi。weibozhongshimuqianzuijingquedeshijianceliangqijuzhiyi

，yeshishijiegongrenzuinanyanzhideyuanzizhongxitongzhiyi。gonglizizhongduikongjianhuanjingshiyingnengliqiang，zaitijigonghaobubiandeqingkuangxia，nengbixianyouzhuliuyuanzizhongzhibiaotigao1至2個數量級，是新一代星載原子鍾的發展方向。