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航天科工二院203所第19颗国产铷钟助力北斗更稳健

为了更精更准的中国北斗——中国航天科工二院203所星载氢钟项目组成员自述

李晶   日期 : 20160331

        星载氢钟是新一代北斗导航卫星的核心单机,直接影响着整个系统的导航定位精度和自主导航能力,具有重要的战略意义。2015年9月30日,我国首台星载氢钟作为关键单机,随我国第四颗新一代北斗导航卫星成功发射。在此之前,仅有欧洲伽利略导航卫星实现了星载氢钟搭载。

        数年磨一剑,随着北斗放飞的除了国产氢钟,还有中国航天科工二院203所星载氢钟项目组的梦想。

        我国新一代北斗导航系统正处于紧锣密鼓组网阶段,导航是否精准,与其使用的原子钟密切相关。

        如今,我国新一代北斗导航卫星搭载的是中国航天科工二院203所5室研制的星载氢钟,定位精度和性能较之以前有大幅提高,大大增强了北斗导航系统的自主导航能力。

        在初步收获的季节,回首几年研制历程,虽然艰辛,但我们无怨无悔。

        承担国家使命

        从事原子钟研究的人都知道,这是非常熬人的活。技术难度大、系统复杂、涉及的专业很多,加之星上应用环境复杂,既需要轻量化设计,又要解决环境可靠性、电磁兼容、振动和冲击等一系列问题。

        可以说,原子钟研制的很多技术都是最新科技成果的代表。北京大学原副校长王义遒曾经语重心长地对我们说:“从事原子钟研究要耐得住寂寞,忍受得了孤独和清贫,但这是一项伟大的事业。”

        星载氢钟项目研制团队就是这样跟随着前辈们的脚步,勇敢地承担起国家重大任务。

        从星载氢钟项目立项到正样研制生产,团队经受了多大的压力,遇到多大的困难,难以为外人道。国内没有可借鉴的经验,国外又进行技术封锁,一切只能靠自己摸索和试验。而总体单位规定的时间非常紧迫,技术指标要求既高且严,按照正常研制流程,每一天都排得满满当当的,容不得我们从头再来或者反复试错。

        然而,如此复杂的产品,要一次研制成功,难度可想而知。项目组成员没有嘀咕,我们相信一定可以研制出自己的星载氢钟。正是靠着这种信念和坚持,我们攻克了一个个技术难关,按照节点将研制稳步推进。

        收获的季节

        去年秋天开始,我们迎来了收获的季节。

        2015年9月30日,我们研制出的国内首台星载氢钟正样产品,作为关键单机随我国第四颗新一代北斗导航卫星成功发射。开机验证结果显示,它作为主钟在轨运行状态良好。

        2016年2月1日,我们的又一只星载氢原子钟跟随新一代北斗导航卫星成功发射。

        2015年我们完成了3台正样产品和1台鉴定件的验收交付,创造近3000万产值,并取得了良好的社会效益。同时,也为新一代北斗组网阶段星载氢钟的批生产工作奠定了良好基础。

        星载氢钟是新一代北斗导航卫星的核心单机,直接影响着整个系统的导航定位精度和自主导航能力,具有重要的战略意义。在此之前,仅有欧洲伽利略导航卫星实现了星载氢钟搭载。

        在研制生产阶段,项目组相继攻克了抗力学、热学、电磁兼容及抗辐照等一系列空间环境适应性难题,全面通过鉴定级、验收级试验验证。相比电性件产品,正样产品进一步优化了整机性能,核心技术指标提高了50%以上,基本达到国际先进水平。

        目前,星载氢钟产品技术状态固化,产品性能指标一致性较高,已经具备了新一代北斗导航组网星阶段的批量供货条件。

        因北斗圆梦

        星载氢钟成功随新一代北斗导航卫星成功上天,是对项目组成员最大的鼓舞和激励。经过历练,可以说,我们成了一个富有战斗力和凝聚力的团队,成员的技术水平和专业能力也得到很大提高。历尽艰辛和坎坷,我们终于见到最绚丽的彩虹。

        正样产品交付后,我们并没有满足于现状。我们对产品各项技术指标进行再优化、完善设计,在可靠性设计、轻量化与细化设计方面进行了大量分析和试验,为后续工作做好技术储备,向国际标杆企业看齐。

        我们清楚地知道,竞争何其激烈,我们的责任何其重大!科学研究永无止境,我们依然任重道远。做出世界一流的原子钟是我们每一个人的梦想,而我国北斗卫星导航系统的组网让这一梦想升华了。为了让中国的北斗更精更准,我们必须造出一流的原子钟。

        由于前期扎实的工作,我们赢得了肯定和信任。2015年,我们再次签订组网星氢钟采购合同,这是很好的发展契机,也是我们进一步实现梦想的机会。

        如今,新一代北斗正加紧组网,离中国导航梦更近了一步。未来,我们星载氢钟项目组将做到更专业、更职业、更敬业,提供高质量、高可靠的星载氢钟,为北斗卫星导航系统继续助力。


二院203所第19颗国产铷钟助力北斗更稳健

发布时间:2016年04月01日 文章来源: 中国航天科工二院 

  北京时间3月30日4时11分,在西昌卫星发射中心成功发射第22颗北斗导航卫星。在此次的飞行任务中,中国航天科工二院203所的一台国产铷钟也一起跟随北斗卫星成功上天。截至目前为止,203所星载铷钟已累计装备19颗北斗导航卫星,其中包含所有新一代北斗导航试验卫星。这些铷钟自始至终都在稳定可靠的运行,为卫星提供了可靠的高精度频率基准,保证了卫星的定位精度和测速精度。

  本次发射的卫星属倾斜地球同步轨道卫星,卫星入轨并完成在轨测试后,与其它在为卫星共同提供服务。铷原子钟作为卫星导航定位系统的“心脏”,为卫星系统提供高稳定的时间频率信号。铷原子钟是我国北斗全球导航系统装备的最早、数量最多的原子钟,为我国导航事业立下汗马功劳,203所铷钟研制团队将一如既往地坚持“质量第一”的理念为北斗导航系统提供更精、更准、更稳的精品原子钟。(文/徐娆美)


二院203所星载氢钟再次随第五颗新一代北斗导航卫星成功发射
发布时间:2016年02月04日     文章来源: 中国航天科工二院
  2月1日15点29分,中国航天科工二院203所研发的星载氢原子钟跟随新一代北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射。这是继2015年9月30日203所首台氢钟随北斗导航卫星发射后再次随北斗导航卫星发射的又一台氢钟。首台氢钟跟随发射的卫星是第四颗新一代北斗导航卫星,属于倾斜轨道同步轨道卫星即IGSO卫星,而本次发射的卫星属地球中圆轨道卫星即MEO卫星,GPS和GLONASS都属于此类卫星。
  此次发射的卫星在星间链路、星载原子钟和下行导航信号等方面采用多项新技术,是迄今发射的第五颗新一代北斗导航卫星,也是我国发射的第二十一颗北斗导航卫星。卫星入轨后,将与先期发射的四颗新一代北斗导航卫星共同开展星间链路、新型导航信号体制等试验验证工作,并适时入网提供服务。
  星载氢原子钟在北斗导航系统的应用将大幅提高导航精度和性能,更重要的是降低北斗导航系统对地面的依赖程度,能够自主导航半年以上,使北斗导航卫星的军事应用有了重要的保障,具有重要的战略意义。截至目前为止,203所星载铷钟已累计装备17颗北斗导航卫星,星载氢钟装备了2颗新一代导航卫星,目前发射的5颗新一代北斗导航卫星均搭载了我所研制的铷钟或氢钟。这些原子钟自始至终都在稳定可靠的运行,为卫星提供了可靠的高精度频率基准,保证了卫星的定位精度和测速精度。
  北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行,与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、测速、授时服务,并兼具短报文通信能力。根据北斗系统全球组网建设计划,2018年将率先为“一带一路”国家提供基本服务;2020年形成全球服务能力,建成国际一流的全球卫星导航系统。203所的原子钟研制团队将一如既往攻坚克难、开拓创新,秉承质量至上、品质第一的精神,为北斗导航系统提供高可靠高精度的原子钟产品,为我国北斗事业的发展贡献力量!(文/操春燕)


航天科工二院203所第一台北斗组网星铷钟正样产品通过现场验收

中国质量报 2015年12月08日

     本报讯  (徐娆美  记者王惜纯)记者从二院203所(以下简称203所)获悉,近日,上海微小卫星工程中心和中电29所组织开展了对203所高精度铷原子钟正样产品的现场验收工作。经过为期两天的资料审查、现场测试,验收结果满足总体研制要求,铷钟产品可以交付使用。

    除了对203所提交的设计文档、可靠性安全性分析文档、组装和调试文档、测试试验和检验文档、综合质量信息文档以及交付验收文档等进行检查外,验收组还着重就该产品技术状态、文件资料完整性、产品质量受控情况以及试验充分性进行了详细审查,并针对具体问题给出了详细的修改意见。审查结果认为,铷钟产品技术状态受控、质量过程受控、可靠性试验符合正样协议技术要求。同时,在203所铷钟相关设计师的配合下,验收组还对产品在真空和常压环境下的电性能指标、特征阻抗、静态阻抗、物理尺寸及接口等74项指标进行了现场测试和检查,测试结果满足技术指标要求,没有出现超差项,满足铷钟正样产品研制要求。

     本台铷钟是新一代北斗导航卫星组网星的第一台铷钟正样产品。据介绍,铷钟产品的交付,预示着203所将陆续为组网星提供铷钟正样产品,更好地为北斗导航组网星提供精准服务。


星载氢原子钟在北斗卫星导航系统的应用,将大幅提高导航精度、性能和自主维持能力,降低导航系统对地面的依赖程度,可自主导航180天。


中国航天科工二院203所:我国新一代北斗导航卫星首次搭载氢原子钟

http://www.fyjs.casic.cn/n355677/n661085/c2401886/content.html

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  星载氢原子钟示意图

         2015年9月30日7点13分,中国航天科工二院203所研制的星载氢原子钟跟随第四颗新一代北斗导航卫星在西昌卫星发射中心成功发射。这是自2000年我国发射北斗导航卫星以来,首次搭载氢原子钟。此次卫星入轨后,将开展星载氢原子钟、星间链路、新型导航信号体制等试验验证工作,并适时入网提供服务。

    原子钟是北斗导航卫星的最关键载荷之一,是时频分系统的心脏,决定导航系统导航定位、测速及授时精度,是一个国家能否具备独立发展导航系统能力的核心标志之一。可以毫不夸张的说,在军事现代化的今天,一个国家的导航卫星的研制水平和能力直接决定一个国家的战时军事应对能力,因为没有准确的定位就谈不上精准的打击,而这个精准定位的核心就是原子钟!

    203所研制的多个批次星载铷原子钟已多次跟随北斗导航卫星成功发射并稳定可靠运行,此次星载氢原子钟跟随新一代导航卫星成功首发,标志着203所原子钟研究领域技术水平和研制能力跨上一个新的台阶,真正实现了技术自主化,破除了国外在该领域的关键技术封锁和高端产品及元器件禁运的藩篱。这将直接助推北斗卫星导航系统总体性能的飞跃,是中国北斗导航卫星发展史上的一个重要里程碑。

    在卫星导航系统中,1ns的时间测量误差将会引起0.3m的测距误差,因此时间的精密测量是决定导航定位精度。考虑到卫星星历的不确定性、电离层传输延迟及定位误差几何分布等诸多因素对时间测量精度的影响,卫星导航系统对原子钟的性能指标就提出了更高的要求。新一代导航系统定位精度0.1m、授时精度0.3ns的设计要求,对原子钟稳定度提出更高的要求,即秒稳优于1×10-12和日稳优于1×10-14。考虑到导航系统在非常时期应具备的自主导航能力,要求原子钟的日漂移率优于5×10-15,以保障北斗导航系统拥有半年以上的自主导航能力,从而显著降低北斗导航卫星系统全球应用时的校时压力和对地面的依赖程度。要满足上述诸多要求,研制高稳定高可靠高指标重量轻的原子钟成为必然趋势和要求,世界各国争先恐后致力于不断攻克相关技术难关,努力研制出更高指标的原子钟来占领导航定位市场和提升军事应用能力。

   当前全球四大卫星导航系统中,美国GPS导航卫星采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式,欧盟Galileo导航卫星采用了铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式,俄罗斯Glonass-K三代导航卫星也将采用铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式,我国新一代北斗导航卫星正在开展铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式。纵观国内外导航卫星所配备原子钟的方案不难发现,均使用两种不同时域稳定度优势互补的原子钟来保证卫星的守时能力,且种类均为技术发展成熟的传统三样原子钟(氢、铷、铯原子钟)。铷原子钟具有体积小重量轻、功耗低、技术难度相对较低、可靠性高等优势被全球四大导航系统普遍采用,但其长期稳定度和漂移率指标相对较差,新一代高精度铷原子钟虽然满足导航卫星在地面主控站不断同步校准下的指标要求,但无法满足导航系统中长期自主导航能力要求。铯原子钟的最大优势是低漂移特性,主要用于导航卫星的长期自主守时,可满足非常时期的应用需求,但铯原子钟的使用寿命短是致命的短板,几项关键技术仍未彻底攻关,目前国际上仅有美国掌握其关键技术。目前,203所已经组建星载铯原子钟团队进行研制星载铯钟,期待在后续的北斗导航项目中配备应用。氢原子钟分为主动型和被动型两种类型,主动型稳定度指标最优,但是体积较大,一般用于地面守时。被动型的体积、重量和功耗相对较小,可搬运,稳定度指标仅次于主动型,多用于地面移动平台和卫星。另外,被动型氢原子钟因其独有的选态组件和储存泡结构特性使得其可获得较为理想的原子跃迁谱线,使其稳定度指标在传统三样中最优,当然研制难度也是传统三样中最高的。其漂移率虽不及优选型铯原子钟,但可保障导航系统长达半年以上的自主导航能力,这使得氢钟成为卫星导航中最具有竞争力的原子钟。

     203所研制的星载氢原子钟稳定度和漂移率等关键指标均已达到国际一流水平,这将大幅提升新一代北斗导航系统的导航精度、授时水平和延长自主导航时间,大幅降低北斗导航系统对地面的依赖程度,为非常时期的导航定位提供了保障。

    据北斗导航系统全球组网建设计划,2018年可为“一带一路”沿线国家提供基础服务,2020年左右将具备全球服务能力,这将成为我国自主建设、独立运行,并与世界其他卫星导航系统兼容共用,可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、测速、授时服务,且独具短报文通信能力特色的全球卫星导航定位系统。可以预见,未来五年将成为新一代导航卫星的密集组网发射期,203所原子钟研制团队将迎来更多的机会和挑战。203所星载氢原子钟研制团队将秉承航天人一贯的严谨细实、脚踏实地的工作作风,继续恪守质量至上、品质第一的航天精神,保质保量的为北斗导航系统提供高可靠高精度的星载氢原子钟,为我国北斗导航事业的发展贡献力量。

(文/摄王文明 操春燕)


强调集成化设计理念  除了设计手法,集成化的设计思路也是设计师为卫星“瘦身”的重头戏。

       比如,新研制的新一代北斗导航卫星就秉承了这种设计理念。科研人员在卫星综合电子系统中,首次应用专用集成电路技术,使该系统研制取得突破性进展,帮助卫星成功“瘦身”。

    “在卫星综合电子系统中应用专用集成电路技术就是我们为卫星‘瘦身’的新手段。”五院总体部电子工程技术研究室主任郭坚表示。

       郭坚所说的专用集成电路技术,是世界航天领域先进的电子技术。这种技术可以把分担着一些功能的数十甚至上百个中、小规模的集成电路功能集成在一块芯片上,从而为卫星实现系统集成提供有效支撑。

     “在采用专用集成电路技术后,原来卫星综合电子系统的诸多电路板被集成在一枚小芯片中。”郭坚说。

       在新一代北斗导航卫星综合电子系统中,应用了5款专用集成电路。与之前型号相比,新一代导航卫星综合电子系统在采用这种技术后,单机数量大幅度减少,减重达40%。

这种集成化的设计思路为五院总体部卫星研制工作带来连锁效应。

       在专用集成电路应用后,新一代北斗导航卫星综合电子系统性能得到了显著提高。“以指令驱动芯片为例,在采用专用集成电路技术后,这个芯片体积变为之前的二分之一,现在只有指甲盖大小,减重效果显著。”五院总体部电子工程技术研究室副主任陶利民介绍说。

        运用专用集成电路技术,也能有效促进产品技术状态的统一。目前总体部在研的4颗不同类型科研卫星综合电子产品的技术状态已经实现统一,摆脱了过去每颗星都要从头研制的状况,极大提升了效率,这里面专用集成电路发挥了重要作用。

       立足轻小型化设计目标,采用创新的技术和设计方法,总体部设计师们一方面精打细算,“斤斤计较”;另一方面总体优化,合理配置,确保了卫星减重“瘦身”的同时,“含金量”不减,实现了“鱼和熊掌”兼得。


       中国空间技术研究院西安分院(504所)为北斗全球导航系统实现“中国智造”发挥了重要作用。

       7月31日,北斗卫星导航系统家族的新成员——第十八、十九颗北斗导航卫星有效载荷成功开通。这两个北斗导航双子星的关键载荷产品都是由陕西航天人研制的。

载荷技术和部件100%国产化

       要建设“中国智造”的北斗全球导航系统,不仅仅是产品的国产化和实现“自主可控”那么简单,陕西航天人的目标是不断增加“中国智造”的含金量,赶超国际一流,建设与GPSⅢ水平相当、具备自身特色的具有国际先进水平的全球卫星导航系统。

       要让“中国智造”的牌子打得出,还要打得响。西安分院在原子钟、行波管放大器、固态放大器、微波开关、大功率隔离器等5大类19项国产化部件方面推进研制。在北斗“双星兄弟”有效载荷和星间链路的研制过程中,西安分院以“全国大联合”的开阔视野,形成了由20多家科研院所和高校组成的研制队伍,最终实现了有效载荷部件100%国产化,增加了“陕西智造”的含金量。

陕西造铷钟质量提高了5倍

       在恶劣的太空环境中生活,没有一颗强健的“心脏”,卫星将难以完成艰巨的使命。西安分院的科研人员就为北斗“双星兄弟”研制并安装上了一颗强大的“中国心”——新一代高精度铷钟。

      铷钟作为导航卫星的频率基准,直接决定着导航卫星定位、测距、授时的准确性,是整个导航卫星的心脏。

      西安分院早在2003年起就开始了铷钟的工程化研制,10多年来一直专注于北斗导航卫星铷钟的研制任务。西安分院为北斗二号一期16颗北斗导航卫星提供了全部的有效载荷产品。

      通过持续技术攻关,中国空间技术研究院西安分院的科研人员,不断提高北斗导航卫星时频系统的稳定度和准确度。新一代高精度铷钟使导航卫星信号质量大幅提高,定位和测速精度提升近5倍,对提高北斗导航系统测量精度具有决定性作用。

      比起前辈们配备的进口“心脏”,这颗“中国心”的形状更加小巧精致,其性能不亚于国外同类产品。同时,新一代高精度铷钟的定位、测距和授时功能更加精确。经过一系列太空验证,“陕西智造”的“中国心”将帮助兄弟俩完成更多任务,提供更加精确的定位服务。


科工二院203所新一代铷原子钟助力北斗全球组网纪实

       7月25日,我国第18、19颗北斗导航卫星成功发射,北斗全球组网再进一步。在欢呼的人群中,李春景很激动,他深知,携带新一代铷原子钟的北斗卫星导航精度将达到亚米级,好戏还在后头。

        李春景是中国航天科工集团公司二院203所原子钟研制团队的负责人,为了这一天,他们这个团队整整攀登了12年。

        “强悍”的工艺精品

        在203所,记者见到铷原子钟“真容”,高约10厘米、底20厘米见方。

        这就是新一代原子钟,北斗二期试验星的关键单机。只有梳妆盒大小的它能够提供高稳定的时间频率信号,帮助北斗卫星定位到地面车辆所在的行车道,不少人用“强悍”二字加以形容。

        2011年至2013年是铷原子钟二期技术攻关的头两年,版本几经更替。从电路整合、体积功耗到环境适应性,指标都攀新高,设计方案几乎是全新的。

        “二期钟比一期有两项指标大幅提升,分别是温度系数和频率稳定度,二者都非常关键。”研制人员杨同敏说。

        铷原子钟在太空中跟随卫星转动时温度会变化,这直接影响定位精度。如何降低它对温度变化的敏感度?杨同敏表示,“要控温就得摸清钟的‘脾气’,必须设计高精度的控温系统。”

        关于频率稳定度,李春景解释:“它是导航系统定位误差的决定性因素,要提高这项指标需要进行复杂的技术攻关。”

        制造原子钟与其他电子产品不同。生产手机时,按工艺文件调试即可,而铷原子钟调试还要掌握电路和物理系统特点,要从电子信号中看到物理本质。“整机调试阶段需要有足够经验的设计师操刀。”杨同敏认为,如今产品小了,可靠性要求更高,调试难度翻倍。

        到目前为止,每台星载铷原子钟都要从每个参数开始精细调试,尤其是真空环境下的调试,原子钟一旦上天通电就要运行到“寿终”,因此必须绝对可靠。就像瑞士的钟表,原子钟是当之无愧的航天高科技工艺精品。

        杨同敏说:“制作原子钟要遵循国产化要求,必须在规定目录内选用元器件。市面有元器件实现信号功能简单方便,但可靠性和环境适应性无法满足卫星要求,所以我们的选择范围很窄。”

        “巧妇难为无米之炊。咱们有米,但只有一种米,要把米饭做香、天天吃不觉得烦,也很有难度。”李春景说。

        “北京时间”的源头

        2013年,上级单位的测试结果显示203所研制的铷原子钟指标达到世界一流水平,其中短期的频率稳定度更是达到国际最高水平。

        2007年,第一颗北斗导航卫星成功发射,出自航天人手的国产铷原子钟第一次接受检验。之前,我国的卫星上使用了很多进口原子钟。随后几年,国产原子钟的性能逐渐提升,最终完全替代进口,203所的研制团队参与了全过程。

        目前,203所是国内唯一一家同时研制铷、氢、铯三种原子钟的单位。其中,氢原子钟稳,漂移少,但体积是铷原子钟的四倍以上,在卫星上不能大量使用;铯原子钟,频率准确度和漂移率指标很高,但频率稳定度较差;铷原子钟则具有体积小、重量轻、可靠性高、频率稳定度好的优点,应用量最多。

        “但铷原子钟无法彻底克服频率准确度和频率漂移方面的先天不足,因此还要将氢原子钟和铯原子钟与铷原子钟互补使用。”李春景说。

        中央电视台对外发布的时间来自于一台铯原子钟,这台钟是203所于2013年研制的。从这个角度看,全国使用的“北京时间”是由航天科工提供的。此外,中国地震局“中国大陆构造环境监测网络”原子频标设备采购项目中的4台氢原子钟也是来自203所。

        拓展星载原子钟业务的同时,该所还将视野投向电信、电力系统等更广阔的市场。另外,原子钟还应用于长期见不到卫星信号的地方,例如水下科考。

        根据《国家卫星导航产业中长期发展规划》的设想,到2020年,我国卫星导航产业规模预计超过4000亿元。这块蛋糕的成型,很大程度上得倚仗北斗卫星的精确导航,原子钟的准确授时。

        “上世纪六七十年代,我们必须有原子弹,现在我们必须有原子钟。”这句话一直被203所原子钟研发团队铭记。他们已经兑现当初的诺言,前方还有更大的梦想——保障北斗全球组网,用“北京时间”为世界定位。


航天科工二院203所

北京时间7月25日,在西昌发射中心一箭双星成功发射两颗北斗导航卫星。在此次的飞行任务中,中国航天科工二院203所研发的两台新一代高精度铷原子钟也一起跟随北斗卫星成功上天。

  铷原子钟作为卫星导航定位系统的“心脏”,为卫星系统提供高稳定的时间频率信号,其性能指标是决定定位系统性能的主要因素之一,其频率稳定度是影响系统定位、测试精度的主要因素。

  203所从上世纪就开始了原子钟的研究,我国北斗全球导航系统规划前期,203所与北京大学、航天510所等单位经过多年的技术攻关,实现了铷原子钟的国产化和技术自主化,破除了国外对这方面的技术封锁,并在2007年实现国产铷钟的首次成功飞天。

  截至目前为止,203所星载铷钟已累计装备17颗北斗导航卫星,其中包含所有新一代北斗导航试验卫星。2015年3月30日发射的由中科院微小卫星研制的首颗新一代北斗导航试验卫星与此次由航天科技集团发射的两颗卫星,均装备了203所作为总体单位承制的新一代高精度星载铷钟,关键技术指标已达国际一流水平。

  203所是中国目前唯一同时开展氢、铷、铯三种原子钟技术研究与工程化的研究所,致力于高端星载原子钟和军用原子钟的研发与生产,并一直是北斗导航系统的星载铷钟和星载氢钟供应商。北斗全球导航系统即将进入密集组网发射阶段,近几年203所将会生产大量的高质量的星载原子钟产品上天服役,更好的为北斗导航卫星提供保障。


高精度铷钟

  高精度铷钟是北斗二号卫星系统有效载荷的核心设备,为整个卫星提供时间基准和频率基准,其稳定度直接决定了导航卫星的定位精度。相比一期铷钟物理部分,高精度铷钟物理部分的万秒和天稳定度提高了一个数量级。导航精度更加精确,自主导航时间延长。
  高精度铷钟物理部分不仅继承了一期铷钟物理部分的成熟研制经验,而且从优化设计、元器件选用、装配、测试、批产,每一个环节均体现了自主创新。
  铷钟被誉为卫星导航定位系统的“心脏”,是决定定位系统性能的主要因素之一。510所经过数年的研制,相继攻克了铷钟寿命、长期稳定度等难题,研制出中国第一台铷钟。
  相比之前,新一代高精度铷钟的定位、测距和授时等功能更加精准,可提供更加精确的定位服务。
  510所将继续坚持走自主创新之路,不断提高产品的技术指标、可靠性和寿命,为进一步增强我国北斗导航卫星系统的国际竞争力做贡献。


北斗导航二期星用贮箱
  贮箱和气瓶是卫星的通用产品,它们犹如汽车的油箱一样,贮存并管理着卫星所有的推进剂,并按工作指令适时向轨控和姿控发动机提供推进剂,对卫星运行方向和姿态进行有效控制,是整个卫星的动力来源和卫星推进分系统的关键部件。510所是我国卫星贮箱气瓶的主要供应商,在北斗导航二期工程任务中,先后生产交付各类推进剂贮箱30多只 。

  北斗二期卫星推进剂贮箱为全金属焊接结构,由上下半球组件、圆柱段、支撑裙贮箱管理装置等组件焊接而成。为了适应导航卫星长期在轨工作要求,贮箱在继承相关成熟技术的基础上,实现了两大创新。一是整体外形为上下半球加中间圆柱的形状,二是在工作压力不变的前提下,通过优化设计,半球壳体壁厚减少了15%,通过调整圆柱段长度,使容积增加近30%。这一增一减,对制造工艺提出了考验。

  北斗导航卫星贮箱在研制过程中,由于批量大、节点紧,510所将贮箱产品的生产过程划分为通用相似零组件生产阶段和产品组装阶段,将以前按技术流程组织生产的模式,转变为按零组件组批生产模式,实行表格化管理,生产进度细化到每一个工序。

北斗导航二期星用二次电源

  二次电源是将卫星一次电源电能变换为另一种形式和规则电能的装置,用以满足不同用电设备的需要,是卫星电源系统的重要组成部分。510所在北斗导航二期研制工作中,承担的二次电源模块涉及数据处理、原子钟、测控、通信、环境监测等多个分系统和单机设备,产品技术指标非常复杂。

  相比于二代一期,北斗导航二期二次电源的功率更大,一般通用产品最大功率为80瓦左右,相控阵天线用二次电源则高到280瓦。为了满足不同用电设备的需求,产品不得不采用多种电路变换方式完成功率变换,最多的时候达到了14路输出。不仅如此,产品要满足输出电压时序、输入分步加电和过流关机等一系列特殊要求。这每一项性能指标都对设计和装配是重大考验。

  为了实现小电压输出的精度控制和大电流输出的稳定性,科研人员在设计中进行了诸多创新。以相控阵天线用大功率电源为例,该产品在继承此前积累的成熟技术基础上,首次采用了其它常规电源没有使用过的平面变压器技术和倍流同步整流技术,使产品中使用的磁性件数量降低、体积减小和功率容量增大。为进一步缩小电感体积,采用了磁集成技术,极大地提高了整个变换器的动态响应速度,并减小了变换器的体积。星载氢钟配套高压电源是本次任务的另一个关键项目,其外形尺寸小,是一个13厘米×9厘米×4.5厘米的长方体,重量也只有一斤过一点,但是输出电压却高达3000伏,研制难度极大。研制人员通过提高开关频率、优化工艺装配、采用新电路等多项配套措施,使产品的技术指标和可靠性得到了大幅提高。

  二次电源研制除了设计之外,装配工艺非常关键。虽然产品整体比较小,但是每个模块里面装配的元器件数量多、体积小,在焊接过程中,稍不注意,焊膏喷涂量多一点儿,就容易产生“桥连”现象,引起短路或误差,造成难以估量的损失。操作人员在试验中反复探索,成功掌握了高密度引脚器件的焊接工艺,将集成电路器件的可焊接引脚间距减小到了0.5毫米。产品经过检验,所有引脚间距的器件无一“桥连”,焊点饱满,符合工艺要求。

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