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北斗“心脏”之星载铷原子钟研制:从空白到领跑

作者:社会经济
出处:www.lunrr.com
时间:2020-03-23

作者:马芙蓉,杨婷婷来源:中国新闻网发布日期:2019/8/18 18:2336007

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北斗“Heart”卫星铷原子钟开发:From 空 White to Leading

卫星原子钟是卫星导航系统的“心脏”,对系统的定位和定时精度起着决定性作用 中国科学院武汉物理数学研究所(以下简称“武汉物理研究所”)研究员梅华刚带领团队解决关键问题达20多年之久,研制出具有完全自主知识产权的机载铷原子钟(以下简称“机载铷钟”)。时钟的整体性能已经达到国际领先水平。

记者最近联系梅华刚和他的团队,揭露了星载铷钟的发展过程 20世纪90年代,中国制定了北斗卫星导航系统的“三步走”发展战略。作为关键技术之一,当时中国的星载原子钟在技术上是白色的空

氢脉泽、铯和铷原子钟可以用作机载原子钟。 与三种原子钟相比,铷原子钟体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、使用寿命长,制造和使用成本最低,因此广泛应用于各国导航系统中。

在拒绝从国外引进星载铷钟后,中国开始了自己的研发。 武汉物理研究所兼具原子分子物理和无线电物理的优势,已成为中国第一个开展星载原子钟研究的单位。

梅华刚回忆说,当他在1997年进行第一个星载原子钟的前期研究项目时,他和他的同事们对铷原子钟的寿命、可靠性和对卫星环境的适应性完全没有设计概念。他们只能反复设计、测试和改进才能找到最佳答案。

铷原子钟核心部件微波腔,直接决定了原子钟信号的强度 该团队在一年多的时间里不断尝试开发开槽管微波腔,为铷钟的高稳定性和小型化奠定了技术基础。 该团队还发明了一种新型铷光谱灯,克服了限制铷钟寿命和卫星环境适应性的主要障碍。

“让北斗使用最好的时钟”(Make北斗Use the Best Clock)

经过多年的努力,该团队于2007年开发出第一代车载铷钟,能够满足卫星导航系统1米定位精度的应用要求。这些产品分批安装在北斗二号卫星上,为2012年完成亚太地区北斗系统联网和提供区域服务做出了重要贡献

团队立志“让中国北斗使用最好的时钟”,在过去五年中先后开发了第二代高精度星载铷钟和第三代非常高精度星载铷钟。 其中,第二代产品批量配备北斗3号卫星。第三代产品是目前世界上性能最高的铷原子钟,于2018年底首次用于北斗三号卫星。

在武汉物理研究所,十多种原子钟原型一个接一个排列,描述升级和迭代的过程。 记者们看到,在早期氢脉泽中,不止一个人高,而最新一代的星载铷钟只有鞋盒那么大。 梅华刚介绍说,原子钟的发展趋势是体积越来越小,性能越来越好。

目前,武汉物理研究所是中国唯一有能力设计和开发一套完整的星载铷钟的单位。 梅华刚透露,近年来,北斗三号系统已达到建设高峰期,该研究所每年交付10多个星载铷钟单元。 迄今为止,该研究所开发的总共45个星载铷钟已由北斗卫星发射,另有6个已用于其他卫星。

“吃碗看锅”

2000年底,中国完成北斗一号系统;到2012年底,北斗二号系统将完成,为亚太地区提供服务。 目前,北斗三号系统正在建设中,计划于2020年左右建成北斗全球系统。

梅华刚说,现有的机载铷钟完全可以满足北斗三号定位精度的应用要求,但是“要从事科学研究,必须先吃碗,往锅里看,再往回看几步” “他和他的团队仍在开发下一代卫星原子钟汞离子钟。他们已经制作了该原理的原型,其精度预计将高于非常高精度的星载铷钟。

梅华刚透露,除了星载原子钟之外,实验室还开发了便携式钙离子光学时钟的原型和手表大小的芯片级原子钟。前者预计将用于北斗地面站,而后者可用于高性能北斗接收机。 (结束)

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