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星載氫原子鐘示意圖

　　9月(yue)30日7點13分，中國(guo)航(hang)天科工(gong)二院203所研制的星載(zai)(zai)氫原子鐘(zhong)(zhong)跟隨(sui)第四顆新一代(dai)北斗導(dao)航(hang)衛星在西(xi)昌(chang)衛星發(fa)射(she)中心(xin)成(cheng)功發(fa)射(she)。這是自2000年我(wo)國(guo)發(fa)射(she)北斗導(dao)航(hang)衛星以來，首次搭載(zai)(zai)氫原子鐘(zhong)(zhong)。此次衛星入軌后，將(jiang)開展星載(zai)(zai)氫原子鐘(zhong)(zhong)、星間鏈路、新型導(dao)航(hang)信號(hao)體制等試驗驗證工(gong)作，并適時入網提供服務。

　　原子(zi)鐘是(shi)(shi)北斗導航(hang)衛(wei)星(xing)的(de)最關鍵載荷之(zhi)一，是(shi)(shi)時(shi)頻分系統(tong)的(de)心臟，決定(ding)(ding)導航(hang)系統(tong)導航(hang)定(ding)(ding)位、測速(su)及授時(shi)精(jing)度，是(shi)(shi)一個國家能(neng)(neng)(neng)否具備獨立發展導航(hang)系統(tong)能(neng)(neng)(neng)力(li)的(de)核心標志之(zhi)一。可以毫(hao)不夸張的(de)說，在軍(jun)(jun)事現代化的(de)今天，一個國家的(de)導航(hang)衛(wei)星(xing)的(de)研(yan)制水平和(he)能(neng)(neng)(neng)力(li)直接決定(ding)(ding)一個國家的(de)戰(zhan)時(shi)軍(jun)(jun)事應對(dui)能(neng)(neng)(neng)力(li)，因為沒有準確的(de)定(ding)(ding)位就談不上(shang)精(jing)準的(de)打擊，而這個精(jing)準定(ding)(ding)位的(de)核心就是(shi)(shi)原子(zi)鐘。

　　203所(suo)研制的多個批次星載銣(ru)原(yuan)子(zi)(zi)鐘已多次跟隨北斗導航衛(wei)(wei)(wei)星成功發射并穩定可靠(kao)運行，此次星載氫(qing)原(yuan)子(zi)(zi)鐘跟隨新一代導航衛(wei)(wei)(wei)星成功首發，標志著203所(suo)原(yuan)子(zi)(zi)鐘研究領域技術(shu)水(shui)平(ping)和(he)研制能力(li)跨上(shang)一個新的臺階，真正(zheng)實現了(le)技術(shu)自(zi)主化，破除了(le)國外在該領域的關鍵(jian)技術(shu)封(feng)鎖和(he)高端產品及元器件禁運的藩籬。這將直接助推北斗衛(wei)(wei)(wei)星導航系統總體性能的飛躍(yue)，是中國北斗導航衛(wei)(wei)(wei)星發展史(shi)上(shang)的一個重要里程碑。

　　在衛星導航(hang)系(xi)統中，1ns的(de)時(shi)(shi)間測(ce)量誤差將會引起(qi)0.3m的(de)測(ce)距誤差，因此時(shi)(shi)間的(de)精(jing)密測(ce)量是決定(ding)導航(hang)定(ding)位(wei)精(jing)度(du)(du)(du)。考慮(lv)到衛星星歷的(de)不確定(ding)性、電(dian)離層傳輸延遲及定(ding)位(wei)誤差幾何分布等(deng)諸多(duo)因素對(dui)時(shi)(shi)間測(ce)量精(jing)度(du)(du)(du)的(de)影響，衛星導航(hang)系(xi)統對(dui)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘的(de)性能指標(biao)(biao)就提(ti)出了(le)更高(gao)(gao)(gao)的(de)要(yao)(yao)求(qiu)。新一代導航(hang)系(xi)統定(ding)位(wei)精(jing)度(du)(du)(du)0.1m、授時(shi)(shi)精(jing)度(du)(du)(du)0.3ns的(de)設計要(yao)(yao)求(qiu)，對(dui)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘穩(wen)(wen)定(ding)度(du)(du)(du)提(ti)出更高(gao)(gao)(gao)的(de)要(yao)(yao)求(qiu)，即(ji)秒穩(wen)(wen)優于(yu)(yu)1×10-12和(he)日穩(wen)(wen)優于(yu)(yu)1×10-14。考慮(lv)到導航(hang)系(xi)統在非常時(shi)(shi)期應具備的(de)自主(zhu)導航(hang)能力(li)，要(yao)(yao)求(qiu)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘的(de)日漂移(yi)率優于(yu)(yu)5×10-15，以(yi)保障北斗導航(hang)系(xi)統擁(yong)有(you)半年以(yi)上的(de)自主(zhu)導航(hang)能力(li)，從而顯著(zhu)降低北斗導航(hang)衛星系(xi)統全球應用(yong)時(shi)(shi)的(de)校時(shi)(shi)壓(ya)力(li)和(he)對(dui)地面的(de)依賴程度(du)(du)(du)。要(yao)(yao)滿足(zu)上述諸多(duo)要(yao)(yao)求(qiu)，研制高(gao)(gao)(gao)穩(wen)(wen)定(ding)高(gao)(gao)(gao)可靠高(gao)(gao)(gao)指標(biao)(biao)重量輕的(de)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘成(cheng)為(wei)必然趨勢(shi)和(he)要(yao)(yao)求(qiu)，世界各國(guo)爭先(xian)恐后致力(li)于(yu)(yu)不斷攻克相關技(ji)術(shu)難關，努力(li)研制出更高(gao)(gao)(gao)指標(biao)(biao)的(de)原(yuan)(yuan)子(zi)鐘來(lai)占領導航(hang)定(ding)位(wei)市場(chang)和(he)提(ti)升軍事應用(yong)能力(li)。

　　當前全球四(si)大衛(wei)(wei)星(xing)導(dao)(dao)航系統中，美國GPS導(dao)(dao)航衛(wei)(wei)星(xing)采(cai)(cai)用了銫原(yuan)子(zi)(zi)鐘和(he)銣原(yuan)子(zi)(zi)鐘結(jie)(jie)合(he)的(de)方(fang)式，歐(ou)盟Galileo導(dao)(dao)航衛(wei)(wei)星(xing)采(cai)(cai)用了銣原(yuan)子(zi)(zi)鐘和(he)被動型氫原(yuan)子(zi)(zi)鐘結(jie)(jie)合(he)的(de)方(fang)式，俄(e)羅斯(si)Glonass-K三代導(dao)(dao)航衛(wei)(wei)星(xing)也將采(cai)(cai)用銣原(yuan)子(zi)(zi)鐘和(he)被動型氫原(yuan)子(zi)(zi)鐘結(jie)(jie)合(he)的(de)方(fang)式，我國新(xin)一代北斗導(dao)(dao)航衛(wei)(wei)星(xing)正在開展(zhan)銣原(yuan)子(zi)(zi)鐘和(he)被動型氫原(yuan)子(zi)(zi)鐘相(xiang)結(jie)(jie)合(he)的(de)授時方(fang)式。

　　縱(zong)觀(guan)國(guo)內(nei)外(wai)導航(hang)衛星(xing)所配備(bei)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘的(de)(de)(de)方案(an)不(bu)難(nan)(nan)(nan)發現，均使用(yong)兩種(zhong)不(bu)同時域(yu)穩定(ding)(ding)度(du)優(you)(you)勢(shi)互補的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘來保證衛星(xing)的(de)(de)(de)守時能力，且(qie)種(zhong)類均為(wei)技術發展成(cheng)熟的(de)(de)(de)傳(chuan)統(tong)(tong)三樣(yang)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘（氫(qing)(qing)、銣(ru)(ru)、銫(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘）。銣(ru)(ru)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘具(ju)有體(ti)積小重量輕(qing)、功耗(hao)低、技術難(nan)(nan)(nan)度(du)相(xiang)對較低、可(ke)(ke)靠性高(gao)等優(you)(you)勢(shi)被(bei)全(quan)球四(si)大導航(hang)系(xi)統(tong)(tong)普遍采用(yong)，但(dan)(dan)其(qi)(qi)長(chang)期(qi)穩定(ding)(ding)度(du)和漂(piao)移(yi)率指(zhi)標(biao)相(xiang)對較差，新(xin)一(yi)(yi)代高(gao)精度(du)銣(ru)(ru)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘雖然滿(man)足導航(hang)衛星(xing)在(zai)(zai)地(di)面主(zhu)控站(zhan)不(bu)斷同步校準下的(de)(de)(de)指(zhi)標(biao)要求(qiu)，但(dan)(dan)無法滿(man)足導航(hang)系(xi)統(tong)(tong)中長(chang)期(qi)自(zi)主(zhu)導航(hang)能力要求(qiu)。銫(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘的(de)(de)(de)最大優(you)(you)勢(shi)是(shi)(shi)低漂(piao)移(yi)特性，主(zhu)要用(yong)于導航(hang)衛星(xing)的(de)(de)(de)長(chang)期(qi)自(zi)主(zhu)守時，可(ke)(ke)滿(man)足非常(chang)時期(qi)的(de)(de)(de)應(ying)用(yong)需求(qiu)，但(dan)(dan)銫(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘的(de)(de)(de)使用(yong)壽(shou)命(ming)短是(shi)(shi)致命(ming)的(de)(de)(de)短板，幾(ji)項(xiang)(xiang)關鍵(jian)(jian)技術仍(reng)未徹(che)底攻(gong)關，目前國(guo)際(ji)上(shang)(shang)僅有美國(guo)掌握其(qi)(qi)關鍵(jian)(jian)技術。目前，203所已經組(zu)(zu)建星(xing)載(zai)(zai)銫(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘團隊進行研(yan)制(zhi)(zhi)星(xing)載(zai)(zai)銫(se)(se)(se)鐘，期(qi)待(dai)在(zai)(zai)后續的(de)(de)(de)北(bei)斗導航(hang)項(xiang)(xiang)目中配備(bei)應(ying)用(yong)。氫(qing)(qing)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘分(fen)為(wei)主(zhu)動(dong)(dong)(dong)型(xing)(xing)(xing)和被(bei)動(dong)(dong)(dong)型(xing)(xing)(xing)兩種(zhong)類型(xing)(xing)(xing)，主(zhu)動(dong)(dong)(dong)型(xing)(xing)(xing)穩定(ding)(ding)度(du)指(zhi)標(biao)最優(you)(you)，但(dan)(dan)是(shi)(shi)體(ti)積較大，一(yi)(yi)般用(yong)于地(di)面守時。被(bei)動(dong)(dong)(dong)型(xing)(xing)(xing)的(de)(de)(de)體(ti)積、重量和功耗(hao)相(xiang)對較小，可(ke)(ke)搬運(yun)，穩定(ding)(ding)度(du)指(zhi)標(biao)僅次于主(zhu)動(dong)(dong)(dong)型(xing)(xing)(xing)，多用(yong)于地(di)面移(yi)動(dong)(dong)(dong)平臺(tai)和衛星(xing)。另(ling)外(wai)，被(bei)動(dong)(dong)(dong)型(xing)(xing)(xing)氫(qing)(qing)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘因(yin)其(qi)(qi)獨有的(de)(de)(de)選態組(zu)(zu)件和儲存泡結構特性使得(de)(de)其(qi)(qi)可(ke)(ke)獲得(de)(de)較為(wei)理想的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)躍遷譜(pu)線(xian)，使其(qi)(qi)穩定(ding)(ding)度(du)指(zhi)標(biao)在(zai)(zai)傳(chuan)統(tong)(tong)三樣(yang)中最優(you)(you)，當然研(yan)制(zhi)(zhi)難(nan)(nan)(nan)度(du)也(ye)是(shi)(shi)傳(chuan)統(tong)(tong)三樣(yang)中最高(gao)的(de)(de)(de)。其(qi)(qi)漂(piao)移(yi)率雖不(bu)及優(you)(you)選型(xing)(xing)(xing)銫(se)(se)(se)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘，但(dan)(dan)可(ke)(ke)保障導航(hang)系(xi)統(tong)(tong)長(chang)達(da)半年以上(shang)(shang)的(de)(de)(de)自(zi)主(zhu)導航(hang)能力，這使得(de)(de)氫(qing)(qing)鐘成(cheng)為(wei)衛星(xing)導航(hang)中最具(ju)有競爭(zheng)力的(de)(de)(de)原(yuan)(yuan)(yuan)子(zi)(zi)鐘。

　　203所(suo)研制(zhi)的(de)(de)星載氫原子鐘穩定(ding)度(du)和漂移率等關鍵指(zhi)標均已達(da)到國(guo)際一流水平(ping)，這將大(da)幅(fu)提升新一代北(bei)斗導(dao)(dao)航(hang)系統(tong)(tong)的(de)(de)導(dao)(dao)航(hang)精度(du)、授時水平(ping)和延長自(zi)主導(dao)(dao)航(hang)時間，大(da)幅(fu)降低北(bei)斗導(dao)(dao)航(hang)系統(tong)(tong)對地(di)面的(de)(de)依賴(lai)程度(du)，為非(fei)常時期的(de)(de)導(dao)(dao)航(hang)定(ding)位提供了保障(zhang)。

　　據北斗導(dao)(dao)航(hang)(hang)系統(tong)全球組(zu)網建設(she)計劃，2018年(nian)(nian)可(ke)(ke)為“一(yi)帶(dai)一(yi)路”沿線國家提供(gong)基礎服務，2020年(nian)(nian)左右將具備全球服務能力(li)，這(zhe)將成(cheng)為我國自主建設(she)、獨立(li)運行，并與世界其他(ta)衛星導(dao)(dao)航(hang)(hang)系統(tong)兼容共用(yong)，可(ke)(ke)在全球范圍內全天候、全天時(shi)為各類用(yong)戶提供(gong)高精度(du)(du)、高可(ke)(ke)靠的(de)定位(wei)、測速(su)、授時(shi)服務，且(qie)獨具短報(bao)文通信能力(li)特色的(de)全球衛星導(dao)(dao)航(hang)(hang)定位(wei)系統(tong)。可(ke)(ke)以預見(jian)，未來(lai)五年(nian)(nian)將成(cheng)為新一(yi)代導(dao)(dao)航(hang)(hang)衛星的(de)密集組(zu)網發射期(qi)，203所原(yuan)子鐘(zhong)研(yan)制(zhi)團隊將迎(ying)來(lai)更多的(de)機會(hui)和挑戰。203所星載氫原(yuan)子鐘(zhong)研(yan)制(zhi)團隊將秉承航(hang)(hang)天人(ren)一(yi)貫(guan)的(de)嚴謹細實(shi)、腳踏實(shi)地的(de)工作(zuo)作(zuo)風(feng)，繼(ji)續(xu)恪守質(zhi)量至上、品質(zhi)第一(yi)的(de)航(hang)(hang)天精神，保質(zhi)保量的(de)為北斗導(dao)(dao)航(hang)(hang)系統(tong)提供(gong)高可(ke)(ke)靠高精度(du)(du)的(de)星載氫原(yuan)子鐘(zhong)，為我國北斗導(dao)(dao)航(hang)(hang)事業的(de)發展(zhan)貢獻力(li)量。

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