我國新一代氫原子鐘、銣原子鐘同在北斗三號應(yīng)用對北斗全球系統(tǒng)建設(shè)起到關(guān)鍵作用

部英男 吳巍

日前，我國采取一箭雙星方式，成功發(fā)射了北斗三號第三、四顆組網(wǎng)衛(wèi)星，這兩顆衛(wèi)星上均裝載了航天科工二院203所研制的一臺高精度銣鐘和一臺星載氫鐘，它們的技術(shù)指標(biāo)都達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

原子鐘是利用原子躍遷頻率穩(wěn)定的特性來獲取精準(zhǔn)時間頻率信號的設(shè)備，其研發(fā)涉及到量子物理學(xué)、電學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等眾多學(xué)科，目前國際上僅中、美、俄等少數(shù)國家具有獨立研制能力。星載原子鐘主要應(yīng)用于導(dǎo)航系統(tǒng)，分為氫原子鐘、銣原子鐘和銫原子鐘三種。美國的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、歐洲的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)及俄羅斯的格羅納斯導(dǎo)航系統(tǒng)，均采用了銣原子鐘搭配銫原子鐘，或者銣原子鐘搭配氫原子鐘的方案，充分發(fā)揮了銣原子鐘體積小、重量輕，及銫原子鐘、氫原子鐘長期性能優(yōu)異的特點。

全面提升原子鐘性能指標(biāo)，助力北斗全球組網(wǎng)

“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。作為導(dǎo)航衛(wèi)星的心臟，高性能的星載原子鐘對導(dǎo)航精度具有決定性作用。

相比北斗一期、二期工程中單純采用銣原子鐘。本次發(fā)射的北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星上不但裝載有新一代高精度銣原子鐘，相比前代產(chǎn)品其體積更小，重量更輕，技術(shù)性能大幅提升，已達(dá)到國際先進(jìn)水平。星載銣鐘負(fù)責(zé)人楊同敏介紹道。更值得一提的是裝載的星載氫鐘，這是其在北斗二代二期試驗衛(wèi)星得到驗證后，首次應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)衛(wèi)星。相比銣原子鐘，氫原子鐘在重要技術(shù)指標(biāo)，如頻率穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度及日漂移率等方面具有明顯優(yōu)勢。星載氫鐘的應(yīng)用可使北斗導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)更高的定位精度、全球覆蓋及較長的自主導(dǎo)航能力，顯著降低北斗導(dǎo)航系統(tǒng)全球應(yīng)用時的校時壓力。是其可與世界其它三大導(dǎo)航系統(tǒng)相媲美的必要條件。

攻堅克難，十年鑄劍終成功

星載氫鐘包括物理和電路兩部分，構(gòu)成較為復(fù)雜。為滿足衛(wèi)星發(fā)射及在軌運行時需要面對的振動、溫度、輻照等苛刻環(huán)境要求，進(jìn)一步增加了研制難度。為此203所用了近十年的時間，相繼解決了高性能長壽命吸氣劑復(fù)合真空泵技術(shù)、微波腔和磁屏蔽的小型化及抗振性等一系列技術(shù)問題；溫控系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化，電磁兼容性的改善，使星載氫鐘長期頻率穩(wěn)定度大幅提高，增強(qiáng)了整機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。最終攻克了包括指標(biāo)優(yōu)化，整機(jī)小型化、輕量化技術(shù)研究，空間環(huán)境適應(yīng)性、可靠性與長壽命技術(shù)研究等關(guān)鍵技術(shù)難題。目前，203所研制的星載氫鐘在技術(shù)性能及可靠性上均達(dá)到國際同類產(chǎn)品水平，為北斗三號組網(wǎng)衛(wèi)星的高性能、長壽命要求提供了有力保障。

航天質(zhì)量是我們的生命，全力保障北斗工程

航天質(zhì)量就是我們的生命，這是每一個航天人對高可靠、高質(zhì)量航天技術(shù)的莊嚴(yán)承諾。北斗工程副總師謝軍如是說道。不同于其他衛(wèi)星，北斗系統(tǒng)對此要求更多，北斗是一個系統(tǒng)工程，用戶每次享受到北斗系統(tǒng)的服務(wù)，都至少需要4顆北斗衛(wèi)星提供服務(wù)。

北斗又是一個全球覆蓋的系統(tǒng)，至少需要20余顆衛(wèi)星同時提供穩(wěn)定服務(wù)，對衛(wèi)星產(chǎn)品的要求及其苛刻。北斗又是一個固有屬性要求，必須有連續(xù)的信號，信號不能中斷，系統(tǒng)必須連續(xù)、穩(wěn)定、完好、可用。到2020年，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)將是第三個提供全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)的國家。到那時，我們生活方方面面的60%的導(dǎo)航定位都是我們自己的衛(wèi)星，逐步取代GPS的地位。這對我國來說具有重要的戰(zhàn)略意義。

擁有雄厚的原子鐘技術(shù)實力，為北斗提供40臺優(yōu)良的產(chǎn)品

203所是我國唯一一家同時生產(chǎn)氫原子鐘、銣原子鐘、銫原子鐘的單位，擁有雄厚的原子鐘技術(shù)實力，已累計為系統(tǒng)總體提供了40臺以上的星載原子鐘，產(chǎn)品歷經(jīng)了系統(tǒng)設(shè)計、驗證、試驗、組網(wǎng)的所有階段，幾乎每顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星都安裝了203所的原子鐘，這些產(chǎn)品保持了突出的產(chǎn)品可靠性和優(yōu)良的產(chǎn)品性能，為星座的建設(shè)作出了貢獻(xiàn)。203所并為此于2017年獲得國家科技進(jìn)步特等獎。星載氫鐘負(fù)責(zé)人部英男如是說。

203所目前還在緊鑼密鼓的為北斗系統(tǒng)的地面守時站研制藍(lán)寶石主動氫脈澤，這種原子鐘擁有國內(nèi)最高的性能指標(biāo)，可在地面環(huán)境進(jìn)行高精度守時，為北斗衛(wèi)星的時間矯正和信號注入提供重要支撐。