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上海天文台星载氢钟首次搭载航天五院新一代导航试验卫星

让北斗授时百万年只差1秒  上海天文台目前已具备每年4台氢原子钟研制能力

2016年08月02日 解放日报 黄海华

  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。由上海天文台自主研发的星载氢原子钟,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。

  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1天差不多有1秒误差,石英表1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。

  我国北斗局域系统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。北斗全球系统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。

  上海天文台上世纪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震动、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。

  如何让数百公斤重的主动性氢原子钟瘦身,成为科研团队需跨过的一道“坎”。为了让氢原子钟“瘦”到100多公斤的极限,研究团队果断转向研制被动型氢原子钟。在首席科学家林传富研究员的带领下,团队经过6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。

  目前,上海天文台已具备每年4台氢原子钟的研制能力。


上海天文台星载氢钟研制获得突破,首次搭载北斗导航卫星顺利开机运行

2015-12-01 

    我台研制的国内首台星载氢原子钟搭载航天五院新一代导航试验卫星于2015年9月30日在西昌卫星发射中心发射升空,该氢钟于2015年11月9日开机,目前遥测数据正常,氢钟已在轨稳定工作。 

   据悉,我国北斗一期导航卫星配置了星载铷原子钟,满足了局域系统导航定位要求;北斗二期作为全球系统,将对部分导航卫星配置星载氢钟,以提高全球信号的播放质量和服务性能。 

   自上世纪70年代起,上海天文台即开展了氢原子钟技术研究并完成我国首台地面主动性氢原子钟研制。从2003年开始,天文台启动了星载氢钟研究项目,组织研究团队开展了被动型星载氢原子钟关键技术研究和工程化探索,并联合上海技物所和航天804所,实现了氢钟物理和电路部分工程化研制;经过团队的努力,目前已完成两台鉴定和两台正样产品研制并分别交付航天五院和上海微小卫星工程中心两个卫星总体。 

  上海天文台正积极开展组网星氢钟备料和研制工作,计划将每年完成4台以上星载氢钟研制并应用于我国北斗导航组网卫星。


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