我國新一代北鬥導航衛星首次搭載氫原子鐘

2020-12-07 國務院國有資產監督管理委員會

星載氫原子鐘示意圖

　　9月30日7點13分，中國航天科工二院203所研製的星載氫原子鐘跟隨第四顆新一代北鬥導航衛星在西昌衛星發射中心成功發射。這是自2000年我國發射北鬥導航衛星以來，首次搭載氫原子鐘。此次衛星入軌後，將開展星載氫原子鐘、星間鏈路、新型導航信號體制等試驗驗證工作，並適時入網提供服務。

　　原子鐘是北鬥導航衛星的最關鍵載荷之一，是時頻分系統的心臟，決定導航系統導航定位、測速及授時精度，是一個國家能否具備獨立發展導航系統能力的核心標誌之一。可以毫不誇張的說，在軍事現代化的今天，一個國家的導航衛星的研製水平和能力直接決定一個國家的戰時軍事應對能力，因為沒有準確的定位就談不上精準的打擊，而這個精準定位的核心就是原子鐘。

　　203所研製的多個批次星載銣原子鐘已多次跟隨北鬥導航衛星成功發射並穩定可靠運行，此次星載氫原子鐘跟隨新一代導航衛星成功首發，標誌著203所原子鐘研究領域技術水平和研製能力跨上一個新的臺階，真正實現了技術自主化，破除了國外在該領域的關鍵技術封鎖和高端產品及元器件禁運的藩籬。這將直接助推北鬥衛星導航系統總體性能的飛躍，是中國北鬥導航衛星發展史上的一個重要裡程碑。

　　在衛星導航系統中，1ns的時間測量誤差將會引起0.3m的測距誤差，因此時間的精密測量是決定導航定位精度。考慮到衛星星曆的不確定性、電離層傳輸延遲及定位誤差幾何分布等諸多因素對時間測量精度的影響，衛星導航系統對原子鐘的性能指標就提出了更高的要求。新一代導航系統定位精度0.1m、授時精度0.3ns的設計要求，對原子鐘穩定度提出更高的要求，即秒穩優於1×10-12和日穩優於1×10-14。考慮到導航系統在非常時期應具備的自主導航能力，要求原子鐘的日漂移率優於5×10-15，以保障北鬥導航系統擁有半年以上的自主導航能力，從而顯著降低北鬥導航衛星系統全球應用時的校時壓力和對地面的依賴程度。要滿足上述諸多要求，研製高穩定高可靠高指標重量輕的原子鐘成為必然趨勢和要求，世界各國爭先恐後致力於不斷攻克相關技術難關，努力研製出更高指標的原子鐘來佔領導航定位市場和提升軍事應用能力。

　　當前全球四大衛星導航系統中，美國GPS導航衛星採用了銫原子鐘和銣原子鐘結合的方式，歐盟Galileo導航衛星採用了銣原子鐘和被動型氫原子鐘結合的方式，俄羅斯Glonass-K三代導航衛星也將採用銣原子鐘和被動型氫原子鐘結合的方式，我國新一代北鬥導航衛星正在開展銣原子鐘和被動型氫原子鐘相結合的授時方式。

　　縱觀國內外導航衛星所配備原子鐘的方案不難發現，均使用兩種不同時域穩定度優勢互補的原子鐘來保證衛星的守時能力，且種類均為技術發展成熟的傳統三樣原子鐘（氫、銣、銫原子鐘）。銣原子鐘具有體積小重量輕、功耗低、技術難度相對較低、可靠性高等優勢被全球四大導航系統普遍採用，但其長期穩定度和漂移率指標相對較差，新一代高精度銣原子鐘雖然滿足導航衛星在地面主控站不斷同步校準下的指標要求，但無法滿足導航系統中長期自主導航能力要求。銫原子鐘的最大優勢是低漂移特性，主要用於導航衛星的長期自主守時，可滿足非常時期的應用需求，但銫原子鐘的使用壽命短是致命的短板，幾項關鍵技術仍未徹底攻關，目前國際上僅有美國掌握其關鍵技術。目前，203所已經組建星載銫原子鐘團隊進行研製星載銫鐘，期待在後續的北鬥導航項目中配備應用。氫原子鐘分為主動型和被動型兩種類型，主動型穩定度指標最優，但是體積較大，一般用於地面守時。被動型的體積、重量和功耗相對較小，可搬運，穩定度指標僅次於主動型，多用於地面移動平臺和衛星。另外，被動型氫原子鐘因其獨有的選態組件和儲存泡結構特性使得其可獲得較為理想的原子躍遷譜線，使其穩定度指標在傳統三樣中最優，當然研製難度也是傳統三樣中最高的。其漂移率雖不及優選型銫原子鐘，但可保障導航系統長達半年以上的自主導航能力，這使得氫鍾成為衛星導航中最具有競爭力的原子鐘。

　　203所研製的星載氫原子鐘穩定度和漂移率等關鍵指標均已達到國際一流水平，這將大幅提升新一代北鬥導航系統的導航精度、授時水平和延長自主導航時間，大幅降低北鬥導航系統對地面的依賴程度，為非常時期的導航定位提供了保障。

　　據北鬥導航系統全球組網建設計劃，2018年可為「一帶一路」沿線國家提供基礎服務，2020年左右將具備全球服務能力，這將成為我國自主建設、獨立運行，並與世界其他衛星導航系統兼容共用，可在全球範圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、測速、授時服務，且獨具短報文通信能力特色的全球衛星導航定位系統。可以預見，未來五年將成為新一代導航衛星的密集組網發射期，203所原子鐘研製團隊將迎來更多的機會和挑戰。203所星載氫原子鐘研製團隊將秉承航天人一貫的嚴謹細實、腳踏實地的工作作風，繼續恪守質量至上、品質第一的航天精神，保質保量的為北鬥導航系統提供高可靠高精度的星載氫原子鐘，為我國北鬥導航事業的發展貢獻力量。

中國航天科工集團公司

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