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一层一层剥开你的心——卫星导航原子钟

来源:科技日报 发布时间:2017-08-03

原子钟是什么钟,跟导航有什么关系?

203所星载氢钟主管设计师王文明告诉科技日报记者,原子钟就是导航卫星的“心脏”。

“从根本上说,导航的核心就是时间测量。”王文明说,在由导航卫星搭建的星地坐标系中,每个星座都有自己的坐标信息,通过测量我们与星座间的距离,就能解算出我们在该坐标系的位置。在信号传播速度(光速)已知的前提下,时间测量越精密,位置解算就越精确。

在卫星导航系统中,1纳秒(十亿分之一秒)的时间误差将导致0.3米的距离误差。要实现如此精密的时间测量,只有原子钟能做到。王文明说,原子钟是通过原子这一微小量子构件,实现普通钟表一般的“嘀嗒”声。不同的是,这种“嘀嗒”更均匀,表现为一种电磁波形式,通常听不见,只有通过微波信号处理技术才能输出。

如何让原子钟的精密测量为我们所用?王文明举例说,跳大绳是大家非常熟悉的运动,当有人进入匀速摇动的大绳,随着它的节奏跳动,并记录一定时间内跳动的次数,就相当于人为地将这种时间间隔进行了输出。原子内部存在着上下两个能级结构,原子在其间跃迁发出的电磁波精度非常高。如果把原子量子构件比作大绳,当我们往里注入一个电磁波,让电磁波与原子二能级发生共振,就能将产生电磁波的振荡器锁定到原子二能级跃迁频率上。振荡器输出高精度频率信号,即可实现精密时间测量。目前导航卫星中普遍应用的氢、铷、铯原子钟,都是基于这一工作原理。

在当前全球四大卫星导航系统中,美国GPS采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式。欧盟的伽利略、俄罗斯的三代格洛纳斯以及我国正在建设的北斗三号,均采用铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式。

在“老三样”原子钟里,铷原子钟具有体积小、重量轻、功耗低、技术难度较低、可靠性高等优势,被四大导航系统普遍采用。2007年,我国自主研制的铷原子钟上天服役,中国人终于有了自己的星载原子钟。北斗三号卫星采用了更高性能的铷原子钟和氢原子钟,铷原子钟天稳定度为E-14量级,氢原子钟天稳定度为E-15量级。

氢原子钟分为主动和被动两种类型。主动型稳定度指标最优,但体积较大,一般用于地面守时。被动型的体积、重量和功耗相对较小,稳定度指标仅次于主动型,多用于地面移动平台和卫星。王文明说,被动型氢原子钟凭借独有的选态组件和储存泡结构特性,可获得较为理想的原子跃迁谱线,使其稳定度指标在“老三样”中最优,但研制难度也最高。其漂移率虽不及优选型铯原子钟,但足以保障导航系统实现半年以上的自主导航,这使它成为目前最具有竞争力的星载原子钟。

(来源:科技日报 作者:付毅飞 编辑:陈飚)

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