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北斗导航■吴小莉专访“北斗”卫星总师：星载原子钟，“我不会买你的了”


北斗导航■吴小莉专访“北斗”卫星总师：星载原子钟，“我不会买你的了”
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北斗导航■吴小莉专访“北斗”卫星总师：星载原子钟，“我不会买你的了”
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北斗卫星成功组网 ， 时间精度是卫星导航的命门 。 天地间时间越同步、误差越小 ， 定位的精度就越高 。 有“导航卫星心脏”之称的星载原子钟就发挥着提供时间基准的作用 。 那么 ， 原子钟是什么？为何重要？中国又在原子钟的研发上取得了哪些成绩？2018年 ， “北斗”三号工程副总设计师、卫星首席总设计师谢军在接受吴小莉专访时 ， 向我们介绍了北斗三步工程中 ， 发展原子钟所遇的重重困难和技术攻关 。
什么是原子钟？
导航的核心是时间测量 。 在由导航卫星搭建的星地坐标系中 ， 每个星座都有自己的坐标信息 ， 通过测量我们与星座间的距离 ， 就能解算出我们在该坐标系的位置 。 在信号传播速度（光速）已知的前提下 ， 时间测量越精密 ， 位置解算就越精确 。
在卫星导航系统中 ， 1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差将导致0.3米的距离误差 。 要实现如此精密的时间测量 ， 只有原子钟能做到 。 原子钟是通过原子这一微小量子构件 ， 实现普通钟表一般的“嘀嗒”声 。 不同的是 ， 这种“嘀嗒”更均匀 ， 表现为一种电磁波形式 ， 通常听不见 ， 只有通过微波信号处理技术才能输出 。
如果把原子量子构件比作大绳 ， 当我们往里注入一个电磁波 ， 让电磁波与原子二能级发生共振 ， 就能将产生电磁波的振荡器锁定到原子二能级跃迁频率上 。 振荡器输出高精度频率信号 ， 即可实现精密时间测量 。 目前导航卫星中普遍应用的氢、铷、铯原子钟 ， 都是基于这一工作原理 。
中国的原子钟
北斗三号卫星上配置的新一代国产原子钟 ， 其精度比此前北斗二号上的原子钟要高出了一个数量级 ， 据称300万年只有1秒的误差 。
吴小莉：导航卫星上面 ， 原子钟也是一个命门 。
谢军：对 ， 原子钟是非常非常关键的 。 如果原子钟不准 ， 整个时空基准就谈不上了 。 北斗一号我们用的原子钟是买美国的 。 然后到北斗二号 ， 我们就开始跟欧洲谈 ， 当时欧洲自己的原子钟也没入轨、也没经过验证 。
吴小莉：那我们拿回来后来使用了吗？使用的结果如何？
谢军：技术公开这个事儿我自己也知道 ， 根本你就不要想谈这个事情 。 包括我们希望它能够给我达到一些特别关键的指标的时候 ， 他都说我只能达到这个指标而已 ， 再高的我就要对你进行技术封锁了 ， 所以基本上作为技术转让什么的 ， 就不要想了 。 成品给我们也不行 。
从今天来看的话 ， 即使我们要更高指标的产品 ， 实际上当时它也没有 ， 也做不出来 。 2007年 ， 我们发我们第一颗导航卫星的时候 ， 实际上我们用的四个铷原子钟 ， 全部都是用我们国家自己的 。 但是2010年我们发射导航卫星的时候 ， 我们有部分的用了它的原子钟 。
谢军：但同时我们自己也启动了自主研发原子钟的技术 。 我们国家从“八五”期间 ， 实际上地面原子钟就有一些很好的基础 。 但是地面的原子钟要搬到星上 ， 面临的问题非常非常多：一个是 ， 原子钟体积和重量一定不能做得特别大；另一个 ， 它所需的各项指标也不比地面的低 。 太空间的这种辐照、热环境、力学环境都很复杂 。 在北斗二号当初立项的时候 ， 基于我们国家星载原子钟的基础 ， 我们还是决定买一部分国外的原子钟 ， 自主研发一部分原子钟 。


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