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北斗导航星载原子钟是如何研制的?

2018-02-12 19:30 来源:科普中国-军事科技前沿 

  编者按:

  北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设、独立运行的卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。目前,我国正在实施北斗三号系统建设,计划到2020年前后,完成30余颗卫星发射组网,为全球用户提供服务。

  北斗系统,在建设过程中实现了核心关键技术的全面突破,涌现出大批优秀科研攻关团队和个人。即日起,《军事科技前沿》将持续聚焦北斗系统建设,解读其中的核心装备、关键元器件等重要技术突破,以及在这背后默默付出的科技工作者和他们所展现出的科学精神。

  出品:科普中国

  作者:赵清建 操春燕 部英男

  监制:光明网科普事业部

  作为导航卫星的心脏,高性能的星载原子钟对导航精度具有决定性作用。原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备,其研发涉及到量子物理学、电学、结构力学等众多学科,目前国际上仅少数国家具有独立研制能力。

  2月12日,我国采取一箭双星方式,在西昌卫星发射中心成功发射了北斗三号工程第五、六颗组网卫星。这两颗卫星上均装载了航天科工研制的一台高精度铷钟。那么,他们是如何研发的?研发过程有经历了哪些困难和波折呢?

北斗导航星载原子钟是如何研制的?

2月12日,北斗三号工程第五、六颗组网卫星在西昌发射。梁珂岩摄

  2017年1月8日,北斗二号卫星工程荣获2016年国家科技进步特等奖,中国航天科工二院203所作为北斗二号卫星工程核心载荷产品——星载原子钟的配套单位,研制的高精度原子钟已达到了世界一流水平,实现了关键技术自主可控打破国外垄断,成为本次国家科技进步奖特等奖获奖单位之一。

  作为国内唯一一家同时研制氢、铷、铯三种传统原子钟的单位,203所原子钟团队用16年的坚守与执著,在科技前沿取得了重大突破。该所研制的星载原子钟已广泛应用于北斗导航系统, 截止目前,这个团队已经顺利交付多台星载原子钟产品,装载于北斗导航卫星中。随着一次次原子钟搭载发射的成功,标志着我国已经完全掌握了星载原子钟的研制技术,完全摆脱了国外导航原子钟的束缚,也标志着我国已经成为完全自主建立导航定位系统的国家。

  拥有信念 超越自我

  承载着国家重大任务的使命和担当

  原子钟是北斗卫星导航定位系统的心脏,其为卫星系统提供高稳定的时间频率基准信号,决定了导航系统的导航定位、测速及授时的精度,是一个国家能否具备独立发展导航系统能力的核心技术之一。

  原子钟是利用“磁共振”技术锁定的超精细能级跃迁频率来实现基准频率输出的,其工作原理涉及量子力学、电学、热学以及光学等学科,指标要求相当苛刻,在航天系统中属于研制难度最大的产品之一,向来受到“特殊关照”,被北斗导航卫星总师称之为“可歌可泣”的产品。

  从北斗导航系统工程研制开始,203所作为传统的原子钟研制单位就瞄准国际一流的高性能高可靠的星载铷原子钟。李春景作为北斗二代导航卫星高精度星载铷原子钟研发课题的负责人,也是整个团队中的灵魂人物,这个已经在原子钟战线上奋战了14个年头瘦瘦的“大个子”一谈起北斗铷钟,他的话匣子就打开了:“要搞全球导航,首要条件就是要有原子钟!原子钟产品只有自己干一条路可走!所以从一开始原子钟的自主研发就成了北斗系统总师关注的焦点。”

  攻关难度大,挑战异常艰巨,特别是在仿真和设计能力上,前进的道路困难重重。为了达到技术指标,203所原子钟团队从立项之初,项目团队带着必胜的信念,带着敢于担当和攻坚克难的勇气,反复摸索进行方案论证、技术攻关、试验验证,一路上困难重重,总体方案和电路一再调整优化。他们展开头脑风暴,开拓创新,通过不断技术创新和改进优化,实现了整机高信噪比信号的输出,实现了微波信号低噪声、高稳定性,达到了铷钟轻量化、小型化指标要求,并使得产品寿命大大提高,满足十几年的使用寿命要求……

  一项项关键技术攻关、一个个技术创新,终于研发出了我国第一台符合要求的星载原子钟,拥有自主可控技术的星载铷原子钟并实现在轨工作,中国人终于有了自己的星载原子钟!

  相比铷原子钟,星载氢原子钟是一个难度更大的产品,因为它的结构和原理更复杂,但是氢原子钟在重要技术指标,如频率稳定度、频率准确度及日漂移率等方面具有明显优势,可使北斗导航系统实现更高的定位精度、全球覆盖及较长的自主导航能力,显著降低北斗导航系统全球应用时的校时压力,是其可与世界其它三大导航系统相媲美的必要条件。

  星载氢钟负责人李晶是被年轻同志笑称为氢钟研制的“鼻祖”,他在技术上较真且追求完美,正是他这种对技术永无止境的追求才研制出与国外媲美的高性能高可靠的星载氢钟。从星载被动氢钟关键技术攻关、电性件研制、鉴定件直到正样的定型,他带领项目团队用了近十年的时间,相继解决了一系列技术难题;温控系统的参数优化,电磁兼容性的改善,使星载氢钟长期频率稳定度大幅提高,增强了整机的环境适应性。最终攻克了包括指标优化,整机小型化、轻量化技术研究,空间环境适应性、可靠性与长寿命技术研究等关键技术难题。

  2015年9月30日7点13分,星载氢原子钟跟随北斗二代二期试验卫星在西昌卫星发射中心成功发射,成为中国北斗导航卫星发展史上一个新的里程碑。目前,203所研制的星载氢钟在技术性能及可靠性上均达到国际同类产品水平,将首次大规模正式应用于北斗导航工程,为北斗三号新一代导航卫星的高性能、长寿命要求提供了有力保障。

[责任编辑:肖春芳]

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