让北斗用上最好的钟:科技创新为卫星导航系统带来优异性能

作者: 王之康

来源: 中国科学报

发布日期: 2020-06-24 08:30:33

本文介绍了北斗卫星导航系统的最新发展,特别是其核心技术——原子钟的自主研发过程。文章详细描述了中国科学家在铷原子钟和氢原子钟领域的突破,以及这些技术创新如何提升了北斗系统的性能,使其成为全球四大卫星导航系统之一。

6月23日9时43分,西昌卫星发射中心。搭载着北斗三号最后一颗全球组网卫星的长征三号乙运载火箭,伴随着火光、烟雾和轰鸣声,飞离塔台,冲向云霄,并准确进入预定的地球静止轨道。不久之后,作为四大全球卫星导航系统之一的北斗,将为全球用户提供更加完备的时空信息服务。其中,与人们日常生活息息相关的,要数全天时、全天候、高精度全球定位导航授时服务了。

这项服务的实现离不开一个核心装置,即卫星的“心脏”——原子钟。

上世纪90年代,我国制定了北斗卫星导航系统“三步走”的发展战略。星载原子钟是导航卫星的关键技术。通常,导航卫星上应用的原子钟有铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟。相较而言,铷原子钟体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长,制造和使用成本也最低,因此被各国导航系统普遍采用。当时,星载原子钟技术仅为欧美少数科技强国掌握,在我国属于技术空白。要建成完全自主可控的卫星导航系统,我国只能走自主研发的道路。

1997年,这个重担落在了中国科学院精密测量科学与技术创新研究院(原武汉物理与数学研究所)研究员梅刚华的肩上。从那时开始,梅刚华就带领团队一头扎进了星载铷原子钟技术研究工作中。此后的20多年间,抱着“让北斗用上最好的钟”的信念,梅刚华团队相继突破了星载铷原子钟精度、小型化、寿命、可靠性和卫星环境适应性五大关键技术,研制出三代星载铷原子钟,使我国星载铷钟技术实现了从无到有、由有到精的跨越。

几乎与梅刚华团队同时,一支来自中国科学院上海天文台的科研团队也投入到星载原子钟的研制行列当中。不过,他们研制的是另外一种原子钟——星载氢原子钟。目前,仅有中国的北斗卫星和欧洲的伽利略卫星同时配置了星载铷原子钟和星载氢原子钟。

三个“创新”可以说,北斗能够跻身四大全球卫星导航系统之列,甚至部分性能优于其他导航系统,最直接的原因就是一系列技术创新。除了前文提到的铷原子钟和氢原子钟外,还有基于相控阵的Ka星间链路技术,解决了制约北斗全球组网的瓶颈问题。研究人员还首次在导航卫星上采用大功率氮化镓固态放大器,提高了信号质量。利用卫星自主诊断恢复技术,卫星在完全没有地面干预的情况下,可以进行自主健康诊断、故障隔离和恢复等。

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