專家詳解導航衛星的“心臟”——原子鐘

前不久，中國航天科工集團公司傳來喜訊，該集團二院203所啟動汞離子微波鐘研制。作為新一代原子鐘，它有望應用於下一代北斗導航衛星。

有人可能會犯迷糊：原子鐘是什麼鐘，跟導航有什麼關系？203所星載氫鐘主管設計師王文明告訴科技日報記者，原子鐘就是導航衛星的“心臟”。

“從根本上說，導航的核心就是時間測量。”王文明說，在由導航衛星搭建的星地坐標系中，每個星座都有自己的坐標信息，通過測量我們與星座間的距離，就能解算出我們在該坐標系的位置。在信號傳播速度（光速）已知的前提下，時間測量越精密，位置解算就越精確。

在衛星導航系統中，1納秒（十億分之一秒）的時間誤差將導致0.3米的距離誤差。要實現如此精密的時間測量，隻有原子鐘能做到。王文明說，原子鐘是通過原子這一微小量子構件，實現普通鐘表一般的“嘀嗒”聲。不同的是，這種“嘀嗒”更均勻，表現為一種電磁波形式，通常聽不見，隻有通過微波信號處理技術才能輸出。

如何讓原子鐘的精密測量為我們所用？王文明舉例說，跳大繩是大家非常熟悉的運動，當有人進入勻速搖動的大繩，隨著它的節奏跳動，並記錄一定時間內跳動的次數，就相當於人為地將這種時間間隔進行了輸出。原子內部存在著上下兩個能級結構，原子在其間躍遷發出的電磁波精度非常高。如果把原子量子構件比作大繩，當我們往裡注入一個電磁波，讓電磁波與原子二能級發生共振，就能將產生電磁波的振蕩器鎖定到原子二能級躍遷頻率上。振蕩器輸出高精度頻率信號，即可實現精密時間測量。目前導航衛星中普遍應用的氫、銣、銫原子鐘，都是基於這一工作原理。

在當前全球四大衛星導航系統中，美國GPS採用了銫原子鐘和銣原子鐘結合的方式。歐盟的伽利略、俄羅斯的三代格洛納斯以及我國正在建設的北斗三號，均採用銣原子鐘和被動型氫原子鐘相結合的授時方式。

在“老三樣”原子鐘裡，銣原子鐘具有體積小、重量輕、功耗低、技術難度較低、可靠性高等優勢，被四大導航系統普遍採用。2007年，我國自主研制的銣原子鐘上天服役，中國人終於有了自己的星載原子鐘。科技日報記者從203所了解到，北斗二號導航衛星全部採用銣原子鐘。該所共研制了16台星載銣鐘，目前均在軌穩定運行。

北斗三號導航系統提出了定位精度0.1米、授時精度0.3納秒的設計指標，對原子鐘穩定度提出了極高要求，即秒穩優於1×10-12、日穩優於1×10-14。考慮到特殊情況的應對，還要求其日漂移率優於5×10-15，以降低系統全球應用時的校時壓力和對地面的依賴程度，並保障系統擁有半年以上的自主導航能力。王文明說，銣原子鐘在精度上符合指標，但漂移率無法滿足中長期自主導航要求﹔銫原子鐘的最大優勢是低漂移特性，但其使用壽命是最大短板，其中幾項關鍵技術仍需攻關，目前國際上隻有美國掌握。目前203所已經組建星載銫原子鐘團隊開展研制，期待在后續北斗導航項目中能夠配備應用。

氫原子鐘分為主動和被動兩種類型。主動型穩定度指標最優，但體積較大，一般用於地面守時。被動型的體積、重量和功耗相對較小，穩定度指標僅次於主動型，多用於地面移動平台和衛星。王文明說，被動型氫原子鐘憑借獨有的選態組件和儲存泡結構特性，可獲得較為理想的原子躍遷譜線，使其穩定度指標在“老三樣”中最優，但研制難度也最高。其漂移率雖不及優選型銫原子鐘，但足以保障導航系統實現半年以上的自主導航，這使它成為目前最具有競爭力的星載原子鐘。2015年9月，203所研制的國內首台星載氫原子鐘隨北斗衛星上天，目前在軌運行正常。

記者了解到，203所是國內唯一同時開展氫、銣、銫三種原子鐘研制單位。而該所最近啟動研制的汞離子微波鐘，在未來深空探測和衛星導航領域有明顯的優勢。微波鐘是目前最精確的時間測量器具之一，也是世界公認最難研制的原子鐘系統之一。汞離子鐘對空間環境適應能力強，在體積功耗不變的情況下，能比現有主流原子鐘指標提高1至2個數量級，是新一代星載原子鐘的發展方向。（記者 付毅飛）