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“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,而氢原子钟数百万年才有1秒误差。”北斗卫星导航系统的“心脏”氢原子钟,是怎么跳动的?

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。作为北斗二期导航系统的“心脏”,由上海天文台自主研发的星载氢原子钟,国内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。

北斗卫星导航系统的“心脏”氢原子钟,是怎么跳动的?

图为上海天文台自主研发的星载氢原子钟 上海天文台提供

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。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。

我国北斗一期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;北斗二期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。

上海天文台长期从事时间频率研究工作,上世纪60年代起即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振动、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1吨多重的主动性氢原子钟瘦身,成为科研团队需跨过的一道“坎”。当氢原子钟“瘦”到100多公斤的极限,研究团队果断转向了被动型氢原子钟的研制中。在首席科学家林传富研究员的带领下,团队经过六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。

由于星载氢原子钟设计精密,系统组成复杂,且航天工程产品研制需较大体量的前期经费支撑,上海天文台星载氢原子钟研究曾一度遇到瓶颈。在中科院协调下,上海天文台与上海技物所、航天八院804所合作,先后完成物理部分和电路部分工程化改造及原理样机研制,使我国氢原子钟技术跨上一个新台阶。

星载氢原子钟课题组最一开始只有2个人,上海天文台协调部分高级职称骨干加入研制队伍。项目组初期拿到的任务较少,经费也紧张,为维护团队稳定,上海天文台连续数年给予团队成员稳定的支持。

为按计划完成产品研制,核心组员长期超负荷工作,人均年加班时间达到700小时,有的组员最长甚至达1100小时。这支被誉为上海天文台最忙碌的团队没有让大家失望,目前已具备每年4台氢原子钟的研制能力。上海天文台领导表示,后续将在现有研究成果的基础上不懈努力,进一步巩固和提升我国星载氢原子钟研究的地位与水平,为北斗全球卫星导航系统的全面建设做出应有贡献。

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