星載原子鐘
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時間：2022-01-07
星載原子鐘的實(shí)例教程
目前，GPS、Galileo、GLONASS以及我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均在星上配置了高精度時頻系統(tǒng)，通過在每顆衛(wèi)星配置高性能的星載原子鐘和功能豐富的時頻生成與保持設(shè)備，為衛(wèi)星導(dǎo)航載荷提供高精度、平穩(wěn)可靠的時頻參考信號。隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位精度和自主運(yùn)行能力的不斷提升，對星載時頻系統(tǒng)的性能也提出了更高的要求。
本文首先介紹了目前應(yīng)用于各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的星載時頻關(guān)鍵技術(shù)，然后討論了面向未來精度提升和系統(tǒng)自主運(yùn)行能力提升需求下星載時頻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和可能的發(fā)展路徑。
1 導(dǎo)航衛(wèi)星時頻系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)
導(dǎo)航衛(wèi)星時頻系統(tǒng)由多臺原子鐘和時頻生成與保持單元組成。星載原子鐘輸出穩(wěn)定度極高的頻率信號，時頻生成與保持單元將原子鐘的頻率轉(zhuǎn)換為衛(wèi)星載荷需要的頻率，常為10.23MHz，并進(jìn)行原子鐘主備份輸出信號間的高精度測量和鐘差參數(shù)精密調(diào)整，為導(dǎo)航衛(wèi)星有效載荷提供性能優(yōu)良、平穩(wěn)可靠的基準(zhǔn)時間頻率信號。
1.1 星載原子鐘
時間(頻率)是7個基本物理量中計(jì)量精度最高的，這得益于原子鐘技術(shù)的不斷發(fā)展。原子鐘是利用原子在微波、光波段的電子躍遷頻率作為基準(zhǔn)產(chǎn)生的時間保持系統(tǒng)。原子鐘是現(xiàn)代導(dǎo)航衛(wèi)星的基礎(chǔ)，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均配置了星載原子鐘。考慮到原子鐘在星載應(yīng)用中對體積、質(zhì)量、功耗、可靠性和壽命的要求，以及需要非常好的頻率穩(wěn)定度，目前的星載原子鐘仍以銣鐘、氫鐘和銫鐘為主，通常每顆衛(wèi)星配置3～4臺原子鐘。
根據(jù)系統(tǒng)需求與技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)，各全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用了不同種類的星載原子鐘。
展開 梁珂巖攝
今年7月以來，北斗三號系統(tǒng)進(jìn)入高密度組網(wǎng)發(fā)射任務(wù)期，以每月一次兩星的速度加速實(shí)施組網(wǎng)，4個月間成功將8顆北斗三號導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。根據(jù)計(jì)劃，后續(xù)還將發(fā)射兩顆中圓地球軌道衛(wèi)星和一顆地球同步軌道衛(wèi)星，于年底前建成基本系統(tǒng)，為“一帶一路”參與國家提供服務(wù)。
北斗三號已發(fā)射16顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，將于年底前建成基本系統(tǒng)
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國正在建設(shè)的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，可在全球任何地點(diǎn)、任何時間、任何氣候條件下，為用戶提供高精度、高可靠度的定位、測速、授時服務(wù)，并兼具特有的短報文通信能力。2012年底正式提供運(yùn)行服務(wù)以來連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)入全球時代，應(yīng)用產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速發(fā)展，在國際合作中成為國家名片。
中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室副主任馬加慶表示，在系統(tǒng)建設(shè)方面，北斗系統(tǒng)立足國情、富有特色，國際首創(chuàng)混合星座設(shè)計(jì)，開創(chuàng)導(dǎo)航定位、短報文通信、差分增強(qiáng)融合技術(shù)體制。
目前，北斗二號性能穩(wěn)中有升。系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，定位精度由10米提升至6米。增加4顆備份衛(wèi)星，3顆已發(fā)射入軌。建設(shè)了北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)，形成全國“一張網(wǎng)”，可提供實(shí)時厘米級高精度服務(wù)。建成全球連續(xù)監(jiān)測評估系統(tǒng)，具備對北斗、GPS、格洛納斯、伽利略四大系統(tǒng)監(jiān)測評估的能力。
據(jù)介紹，北斗三號繼承北斗特色，對標(biāo)世界一流，增加星間鏈路、全球搜索救援等新功能，播發(fā)性能更優(yōu)的導(dǎo)航信號；發(fā)射5顆試驗(yàn)衛(wèi)星，星載原子鐘天穩(wěn)定度達(dá)E—15量級，定位精度2.5至5米，較北斗二號提升1至2倍。目前，已成功發(fā)射16顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，年底前再發(fā)射3顆衛(wèi)星，建成北斗三號基本系統(tǒng)。
展開 原子鐘維持的時間能夠使得經(jīng)過10億年才累積一秒的誤差。于是我們就考慮將原子鐘搬到天上，接收機(jī)端和衛(wèi)星端同時對表來同步時間，在衛(wèi)星播發(fā)導(dǎo)航信號的時候加入時間標(biāo)簽，接收機(jī)接收到信號時登記接收時刻的時間標(biāo)簽。兩個時間標(biāo)簽的差異就是導(dǎo)航信號從衛(wèi)星天線到地面接收機(jī)天線所花費(fèi)的時間。這個時間乘以光速便就是兩者之間的距離。
時間測量精度對于導(dǎo)航精度的重要不言而喻。經(jīng)過科學(xué)家的艱難探索，目前北斗三號用上的國產(chǎn)星載銣原子鐘，授時精度百億分之三秒（接收機(jī)端不是采用衛(wèi)星端的高精度原子鐘，盡管衛(wèi)星端衛(wèi)星鐘的誤差顯著改善，但實(shí)際時間比對誤差仍舊較大，需要作為一個待估參數(shù)估計(jì)）。能夠支持導(dǎo)航系統(tǒng)在定位精度從米級邁向厘米級，甚至于毫米級。
北斗系統(tǒng)作為一個空間服務(wù)設(shè)施，其建設(shè)之初就是為了打破國外的技術(shù)壟斷，消除導(dǎo)航服務(wù)不能自主可控的風(fēng)險。在建設(shè)過程中，也遇到諸多困難。在國外布設(shè)臺站不夠均勻，對衛(wèi)星定軌難度大，不能及時更新星歷，科學(xué)家們利用星間鏈路實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星間自主定軌和星間測距來突破國外布站不足的缺點(diǎn)。面對國外高精度原子鐘禁運(yùn)，科研院所自主研發(fā)，突破技術(shù)壟斷，為北斗提供一顆更為精確穩(wěn)定的心臟。北斗雖然在如今還與GPS存在一些差距，但是早已擺脫了GPS一家獨(dú)大的束縛，能夠在發(fā)揮本系統(tǒng)在亞太優(yōu)勢的前提下，為全球服務(wù)能夠有利支撐和保障。
北斗一代，北斗二代，北斗三代，衛(wèi)星一代一代更新，一代一代突破，希望“中國的北斗”成為中國的驕傲，“世界的北斗”服務(wù)全球，“一流的北斗”推動人類的發(fā)展。
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星載原子鐘的最新內(nèi)容
經(jīng)過科學(xué)家的艱難探索，目前北斗三號用上的國產(chǎn)星載銣原子鐘，授時精度百億分之三秒（接收機(jī)端不是采用衛(wèi)星端的高精度原子鐘，盡管衛(wèi)星端衛(wèi)星鐘的誤差顯著改善，但實(shí)際時間比對誤差仍舊較大，需要作為一個待估參數(shù)估計(jì)）。能夠支持導(dǎo)航系統(tǒng)在定位精度從米級邁向厘米級，甚至于毫米級。
北斗系統(tǒng)作為一個空間服務(wù)設(shè)施，其建設(shè)之初就是為了打破國外的技術(shù)壟斷，消除導(dǎo)航服務(wù)不能自主可控的風(fēng)險。
原子鐘是現(xiàn)代導(dǎo)航衛(wèi)星的基礎(chǔ)，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均配置了星載原子鐘?？紤]到原子鐘在星載應(yīng)用中對體積、質(zhì)量、功耗、可靠性和壽命的要求，以及需要非常好的頻率穩(wěn)定度，目前的星載原子鐘仍以銣鐘、氫鐘和銫鐘為主，通常每顆衛(wèi)星配置3～4臺原子鐘。
根據(jù)系統(tǒng)需求與技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)，各全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用了不同種類的星載原子鐘。
據(jù)介紹，北斗三號繼承北斗特色，對標(biāo)世界一流，增加星間鏈路、全球搜索救援等新功能，播發(fā)性能更優(yōu)的導(dǎo)航信號；發(fā)射5顆試驗(yàn)衛(wèi)星，星載原子鐘天穩(wěn)定度達(dá)E—15量級，定位精度2.5至5米，較北斗二號提升1至2倍。目前，已成功發(fā)射16顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星，年底前再發(fā)射3顆衛(wèi)星，建成北斗三號基本系統(tǒng)。
