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星载原子钟是导航卫星心脏吗?

添加时间:2020-01-13 来源:斗室智库 作者:曹冲
  回答是肯定毋容置疑的。星载原子钟(简称星钟)就是导航卫星的心脏,没有原子钟就产生不了高精度的时间与频率,就无法产生高精度的信号,也就没有卫星导航的实时动态的高精度服务能力。原子钟是目前精度最高的时间计量装置,因为有了原子钟,使得时间成为现在所有可计量的度量衡参量中能达到最高精度的参量。
 
 


 
  记得十多年前,在中欧伽利略合作谈判期间,当时我国还没有宣布要建立北斗无源系统。欧洲专家询问我国专家,你们为什么一下子就在欧洲公司那里订40余套空间用的铷钟?中国专家回答当然是无可奉告。后来,欧洲公司得知我国要上北斗系统,就表示合同无法执行。实际上,我国当时订货是出的一流价钱,得到的是二流产品,人家还不想卖。在这样的情况下,中国人只能够自力更生,通过集中攻关,在不太长的时间内,我国终于拿出自己的可以上天的国产铷钟,而且多个团队取得了成功。这是北斗系统推进国家基础技术进步的典型事例。当我国自己的星钟可用时,那个欧洲公司又松口说是原来的合同可以照常执行。现在我国的卫星用铷钟已经与国际比肩,毫不逊色,而且某些性能有过之无不及。我国的自己研制的的氢钟也已经随着北斗三号导航卫星上天,工作情况良好,取得了十分令人满意的结果。下面的图形是航天科工的星钟研究人员在实验室的工作图形,和航天科工装备北斗三号卫星的铷钟与氢钟,及上海天文台研发的氢钟。
 
  通常导航卫星上应用的原子钟有铷钟、铯钟与氢钟。其中铷钟用的较为普遍,GNSS的四大全球系统均采用有铷钟,成为导航卫星应用得最多的星钟,美国GPS同时采用铯钟,欧洲伽利略系统、俄罗斯格洛纳斯和我国的北斗系统均同时采用氢钟。一般情况下,这些星钟的稳定度(以天稳定性为准)为10-13至10-15量级,即它们在30万年至3000万年间的累计误差不超过一秒。与机械表一天差不多有1秒误差,石英表一天大概有0.1秒误差相比,显而易见,星钟技术是保障卫星导航高精度的革命性举措,其作用主要体现在三个方面:一是将原子钟作为卫星上时间频率标准和测量空间信号传播距离的手段;二是将原子钟从地面搬上空间,并且以广播方式发送信号,使得原子钟这类原为实验室使用的极高端产品,变成为无限量用户提供高精度时间与位置信息的大众化服务;三是星钟广播的时间被作为导航用户机的参照量,用户接收机本身无需装备高精度时钟,就可以享受高精度的定位、导航和授时服务。另外需要强调的是,从导航卫星发射机至接收机之间的距离测量均被归结为测量时间,所测量的时间,包括从发射机出发时间至接收机到达时间之间的时延(或称为时间间隔)。星钟的引人确保了收发机之间导航信号传播时延测量的高精度。
 
  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。原子钟就是利用振荡场的频率,即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。
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