原子鐘是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”，直接決定了導(dǎo)航定位精度。若衛(wèi)星存在十億分之一秒（1納秒）的時(shí)間誤差，則會(huì)產(chǎn)生0.3米的測(cè)距誤差。作為新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之一，中科院上海天文臺(tái)研制的被動(dòng)型星載氫原子鐘，1千萬年才誤差一秒，日前獲得2019年上海市科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)。
已研制完成多臺(tái)北斗組網(wǎng)衛(wèi)星氫鐘
根據(jù)量子力學(xué)原理，原子具有不連續(xù)的能量數(shù)值，當(dāng)原子從一個(gè)能級(jí)躍遷至另一個(gè)能級(jí)時(shí)，其吸收或釋放的電磁波頻率是固定的，原子鐘就是利用原子躍遷產(chǎn)生固定頻率的電磁波進(jìn)行計(jì)時(shí)的工具。GPS、格洛納斯、北斗和伽利略等四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)的衛(wèi)星均配置了高性能原子鐘，包括銣鐘、銫鐘和氫鐘。其中，氫鐘同時(shí)具備頻率穩(wěn)定性好和漂移率小的特點(diǎn)，對(duì)導(dǎo)航信號(hào)精度的提升非常有益。
作為一種精密的計(jì)時(shí)器具，氫鐘的精度到底有多高？“機(jī)械表一天差不多有1秒誤差，石英表一天大概有0.1秒誤差，而氫鐘數(shù)百萬年甚至1千萬年才有1秒誤差?！北倍啡?hào)衛(wèi)星星載氫鐘項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、上海天文臺(tái)帥濤研究員告訴解放日?qǐng)?bào)?上觀新聞?dòng)浾摺?/p>
目前，國(guó)外僅歐洲伽利略衛(wèi)星配置了星載氫鐘，與我國(guó)星載氫鐘相比，兩者地面測(cè)試性能相當(dāng)，但從在軌綜合表現(xiàn)來看，我國(guó)星載氫鐘實(shí)現(xiàn)的用戶測(cè)距誤差更小。
上海天文臺(tái)在時(shí)間頻率學(xué)科方面具有良好的研究基礎(chǔ)，自上世紀(jì)60年代起承擔(dān)我國(guó)世界時(shí)的授時(shí)工作，70年代研制出我國(guó)首臺(tái)地面主動(dòng)型氫原子鐘。針對(duì)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星上應(yīng)用，上海天文臺(tái)于2002年啟動(dòng)我國(guó)首臺(tái)星載氫鐘的研制。2010年，星載氫鐘項(xiàng)目組在中國(guó)科學(xué)院和北斗重大專項(xiàng)的支持下，聯(lián)合上海航天電子技術(shù)研究所和中科院上海技術(shù)物理研究所等單位開展了星載氫鐘的工程化研制工作。2015年9月，由上海天文臺(tái)研制的我國(guó)首臺(tái)星載氫鐘隨新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上天應(yīng)用。在北斗三號(hào)全球系統(tǒng)建設(shè)中，上海天文臺(tái)已研制完成多臺(tái)組網(wǎng)衛(wèi)星星載氫鐘，長(zhǎng)期預(yù)報(bào)精度高出星載銣鐘一個(gè)量級(jí)以上，大幅度提升了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)精度。
核心元器件全部國(guó)產(chǎn)化
我國(guó)首臺(tái)星載氫鐘首創(chuàng)和突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，核心元器件全部國(guó)產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航衛(wèi)星“心臟”完全自主可控。
氫鐘在太空下的工作環(huán)境存在一定的溫度波動(dòng)，而電路參數(shù)對(duì)溫度較為敏感。為實(shí)現(xiàn)氫鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，上海天文臺(tái)研究人員首創(chuàng)了氫鐘時(shí)分雙頻調(diào)制技術(shù)，有效降低了氫鐘輸出頻率對(duì)糾偏信號(hào)幅相變化的敏感性，使得溫度系數(shù)指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
研制團(tuán)隊(duì)首次在氫鐘上應(yīng)用了原創(chuàng)的電極式微波腔，相比國(guó)外的磁控管微波腔重量輕了10%，物理系統(tǒng)信號(hào)增益更高，為氫鐘高穩(wěn)定度指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
如果氫鐘在空中突然發(fā)生故障怎么辦？“不用擔(dān)心，衛(wèi)星配置了時(shí)頻生成與保持系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)主用原子鐘和備用原子鐘之間無縫切換，切換前后衛(wèi)星時(shí)間變化小于20皮秒（1皮秒等于一萬億分之一秒），對(duì)應(yīng)的用戶測(cè)距誤差小于1厘米。”帥濤告訴解放日?qǐng)?bào)?上觀新聞?dòng)浾?，這就意味著，如果開車時(shí)衛(wèi)星切換了星上原子鐘，用戶完全察覺不到導(dǎo)航定位信號(hào)發(fā)生了改變。
為適應(yīng)下一代高集成度導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展需要，研究團(tuán)隊(duì)在保證性能指標(biāo)的同時(shí)，把氫鐘重量減輕了一半左右。第一代星載氫鐘24公斤，今年剛完成研制的只有13公斤，功耗也降低了10%左右。未來，除了用于導(dǎo)航衛(wèi)星，氫鐘還將用于空間甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。
從2002年啟動(dòng)星載氫鐘的研制，到2015年首臺(tái)星載氫鐘上天應(yīng)用，上海天文臺(tái)研制團(tuán)隊(duì)走過了一段不短的路。特別是在早期星載氫鐘鑒定產(chǎn)品和正樣產(chǎn)品研發(fā)的那段日子，每天加班2、3個(gè)小時(shí)是“家常便飯”，仿真分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、改進(jìn)提升、迭代驗(yàn)證，一次次修改，一次次完善?！耙矔?huì)有煩躁的時(shí)候，但只要有一丁點(diǎn)進(jìn)展，大家都會(huì)興奮好幾天，彼此鼓勵(lì)著，繼續(xù)往前走?！?/p>
