中国的星载原子钟,从0到1,如今中国技术

大家都知道,最近欧洲伽利略卫星导航系统瘫痪了小时,最后查出原因,是因为卫星的授时出现错误,导致整个卫星系统崩溃了,可以看出卫星的授时是多么重要,中国的导航卫星的心脏就是星载铷原子钟,对卫星的定位和授时精度都具有决定性作用,星载铷原子钟是由中国科学院武汉物理与数学研究所研究员梅刚华率队历经20余年攻关,才研制出了具有完整自主知识产权的星载铷原子钟,在国际上实现了国际领先地位。

从上世纪90年代开始,中国北斗卫星导航系统就制定了和中国载人航天一样的“三步走”发展战略。其中星载原子钟在当时的中国处于技术空白阶段,可以当作星载原子钟的有氢原子钟、铯原子钟和铷原子钟,其中铷原子钟最为先进,有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长、制造成本低等优点,因此各国的导航系统普遍采用铷原子钟。

我们一开始打算从国外采购,但是遭到西方国家的拒绝,于是我们开始了自主研发,在原子分子物理与无线电物理学科优势的武汉物理与数学研究所成为中国最早开始研制星载原子钟的单位。在刚刚开始研究的时候,我们对铷原子钟的寿命、可靠性以及适应性都没有设计概念,只能开展实验,进行反复实验,找到铷原子钟的各种数据。

铷原子钟核心部件微波腔,直接决定原子钟信号强弱。团队不断尝试,用时一年多研制出开槽管微波腔,奠定铷钟高稳定度和小型化技术基础。团队还发明一种新型铷光谱灯,克服了限制铷钟寿命和卫星环境适应性的主要障碍。

北斗卫星经过多年的努力,各项参数已经达到了使用的标准,撞上了铷原子钟,为北斗系统在年完成亚太地区组网并提供区域服务作出了重要的贡献,如今我们的高精度星载原子钟经过第三代技术的改进,成为目前世界上性能最高的铷原子钟,并在年首次用于北斗三号卫星。

虽然在铷原子钟上面获得成功,但是研究团队并没有满足当前的成绩,还在研制下一代星载原子钟——汞离子钟,如今已经制作出原理样机,精度比铷原子钟更高。除星载原子钟外,实验室还研制出可搬运钙离子光钟原理样机和仅手表大小的芯片级原子钟,前者有望用于北斗地面站,后者可用于高性能北斗接收机。

看到我们的科技日异月新,小易内心是非常高兴的,愿我们的祖国更加强大。




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