Array|作为北斗导航卫星“心脏”，这台钟数百万年甚至1千万年才有1秒误差|新科普
摘要：时间是导航卫星的核心
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原子钟是北斗导航卫星的“心脏” ， 直接决定了导航定位精度 。导航系统的本质是一个时间测量系统 ， 若卫星存在十亿分之一秒（1纳秒）的时间误差 ， 则会产生0.3米的测距误差 。只有通过在卫星上配置高精度原子钟 ， 才能实现卫星直接播发出高精度导航定位信号 。
作为新一代北斗导航卫星的三项关键技术之一 ， 中科院上海天文台研制的被动型星载氢原子钟 ， 约合数百万年甚至1千万年才有1秒误差 ， 日前获得2019年上海市科技进步一等奖 。
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时间是导航卫星的核心
时间是导航卫星的核心 。卫星导航定位的基本原理 ， 是在空间布置一定构型的卫星星座 ， 每颗卫星均配置高性能原子钟 。用户终端通过测量卫星信号到达终端的时间差 ， 解算终端的位置 。
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 。被动型星载氢原子钟通过发射探测信号激励基态高能级的氢原子 ， 实现高精细能级跃迁 。
GPS、格洛纳斯、北斗和伽利略等四大全球导航系统的卫星均配置了高性能原子钟 ， 包括铷钟、铯钟和氢钟 。铷钟体积小、重量轻 ， 但频率漂移较大；铯钟频率准确度高 ， 但中短期频率稳定度差；氢钟频率稳定度好、漂移率小 ， 对导航信号精度的提升非常有益 ， 但体积重量相对较大 。氢钟数小时短期预报略好于铷钟 ， 而数天长期预报好于铷钟一个数量级 。
作为一种精密的计时器具 ， 氢钟的精度到底有多高？“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 ， 而氢钟一天误差仅零点几纳秒 ， 约合数百万年甚至1千万年才有1秒误差 。”北斗三号卫星星载氢钟项目负责人、上海天文台帅涛研究员告诉解放日报?上观新闻采访人员 。
目前 ， 国外仅欧洲伽利略卫星配置了星载氢钟 ， 与我国星载氢钟相比 ， 两者地面测试性能相当 ， 但从在轨综合表现来看 ， 我国星载氢钟实现的用户测距误差更小 。“氢钟为我国北斗导航卫星系统与GPS、伽利略等卫星导航系统同台竞技提供了有力的技术支撑 。”我国航天工程领域一位院士评价 。
大幅度提升北斗导航卫星系统时间基准精度
上海天文台在时间频率学科方面具有良好的研究基础 ， 自上世纪60年代起承担我国世界时的授时工作 ， 70年代研制出我国首台地面主动型氢原子钟 。主动型氢钟频率稳定性好 ， 但其体积重量过大 ， 无法满足导航卫星配置要求 。
针对北斗导航卫星星上应用 ， 上海天文台于2002年启动我国首台被动型星载氢钟的研制 。2010年 ， 星载氢钟项目组在中国科学院和北斗重大专项的支持下 ， 联合上海航天电子技术研究所和中科院上海技术物理研究所等单位开展了星载氢钟的工程化研制工作 。2015年9月 ， 由上海天文台研制的我国首台星载氢钟随新一代北斗导航卫星上天应用 。到2019年 ， 已研制完成了多台北斗组网卫星星载氢钟 。在导航试验卫星阶段 ， 有2台氢钟随试验卫星发射入轨进行了应用验证；在北斗三号组网卫星工程中 ， 已有16台发射入轨应用 ， 运行情况良好 ， 性能指标和可靠性达到国际先进水平 ， 大幅度提升了北斗导航卫星系统的时间基准精度 。
核心元器件全部国产化
我国首台星载氢钟首创和突破了多项关键技术 ， 核心元器件全部国产化 ， 实现了导航卫星“心脏”完全自主可控 。
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