我國新一代氫原子鐘、銣原子鐘同在北斗三號應用對北斗全球系統建設起到關鍵作用

部英男 吳巍

日前，我國采取一箭雙星方式，成功發射了北斗三號第三、四顆組網衛星，這兩顆衛星上均裝載了航天科工二院203所研制的一臺高精度銣鐘和一臺星載氫鐘，它們的技術指標都達到了國際先進水平。

原子鐘是利用原子躍遷頻率穩定的特性來獲取精準時間頻率信號的設備，其研發涉及到量子物理學、電學、結構力學等眾多學科，目前國際上僅中、美、俄等少數國家具有獨立研制能力。星載原子鐘主要應用于導航系統，分為氫原子鐘、銣原子鐘和銫原子鐘三種。美國的GPS導航系統、歐洲的伽利略導航系統及俄羅斯的格羅納斯導航系統，均采用了銣原子鐘搭配銫原子鐘，或者銣原子鐘搭配氫原子鐘的方案，充分發揮了銣原子鐘體積小、重量輕，及銫原子鐘、氫原子鐘長期性能優異的特點。

全面提升原子鐘性能指標，助力北斗全球組網

“北斗”衛星導航系統是我國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統。作為導航衛星的心臟，高性能的星載原子鐘對導航精度具有決定性作用。

相比北斗一期、二期工程中單純采用銣原子鐘。本次發射的北斗三號導航衛星上不但裝載有新一代高精度銣原子鐘，相比前代產品其體積更小，重量更輕，技術性能大幅提升，已達到國際先進水平。星載銣鐘負責人楊同敏介紹道。更值得一提的是裝載的星載氫鐘，這是其在北斗二代二期試驗衛星得到驗證后，首次應用于北斗導航系統組網衛星。相比銣原子鐘，氫原子鐘在重要技術指標，如頻率穩定度、頻率準確度及日漂移率等方面具有明顯優勢。星載氫鐘的應用可使北斗導航系統實現更高的定位精度、全球覆蓋及較長的自主導航能力，顯著降低北斗導航系統全球應用時的校時壓力。是其可與世界其它三大導航系統相媲美的必要條件。

攻堅克難，十年鑄劍終成功

星載氫鐘包括物理和電路兩部分，構成較為復雜。為滿足衛星發射及在軌運行時需要面對的振動、溫度、輻照等苛刻環境要求，進一步增加了研制難度。為此203所用了近十年的時間，相繼解決了高性能長壽命吸氣劑復合真空泵技術、微波腔和磁屏蔽的小型化及抗振性等一系列技術問題；溫控系統的參數優化，電磁兼容性的改善，使星載氫鐘長期頻率穩定度大幅提高，增強了整機的環境適應性。最終攻克了包括指標優化，整機小型化、輕量化技術研究，空間環境適應性、可靠性與長壽命技術研究等關鍵技術難題。目前，203所研制的星載氫鐘在技術性能及可靠性上均達到國際同類產品水平，為北斗三號組網衛星的高性能、長壽命要求提供了有力保障。

航天質量是我們的生命，全力保障北斗工程

航天質量就是我們的生命，這是每一個航天人對高可靠、高質量航天技術的莊嚴承諾。北斗工程副總師謝軍如是說道。不同于其他衛星，北斗系統對此要求更多，北斗是一個系統工程，用戶每次享受到北斗系統的服務，都至少需要4顆北斗衛星提供服務。

北斗又是一個全球覆蓋的系統，至少需要20余顆衛星同時提供穩定服務，對衛星產品的要求及其苛刻。北斗又是一個固有屬性要求，必須有連續的信號，信號不能中斷，系統必須連續、穩定、完好、可用。到2020年，北斗導航系統將是第三個提供全球導航定位系統的國家。到那時，我們生活方方面面的60%的導航定位都是我們自己的衛星，逐步取代GPS的地位。這對我國來說具有重要的戰略意義。

擁有雄厚的原子鐘技術實力，為北斗提供40臺優良的產品

203所是我國唯一一家同時生產氫原子鐘、銣原子鐘、銫原子鐘的單位，擁有雄厚的原子鐘技術實力，已累計為系統總體提供了40臺以上的星載原子鐘，產品歷經了系統設計、驗證、試驗、組網的所有階段，幾乎每顆北斗導航衛星都安裝了203所的原子鐘，這些產品保持了突出的產品可靠性和優良的產品性能，為星座的建設作出了貢獻。203所并為此于2017年獲得國家科技進步特等獎。星載氫鐘負責人部英男如是說。

203所目前還在緊鑼密鼓的為北斗系統的地面守時站研制藍寶石主動氫脈澤，這種原子鐘擁有國內最高的性能指標，可在地面環境進行高精度守時，為北斗衛星的時間矯正和信號注入提供重要支撐。