星载氢原子钟搭载北斗卫星 授时百万年误差仅1秒

我国自主研制的北斗卫星导航系统，将于2018年形成面向“一带一路”沿线国家的服务能力，2020年形成全球服务能力。由上海天文台自主研发的星载氢原子钟，首次搭载北斗实验卫星，自去年11月9日开机稳定运行至今。        作为一种精密的计时器具，氢原子钟的精度到底有多高？“机械表1天差不多有1秒误差，石英表1天大概有0.1秒误差，而氢原子钟数百万年才有1秒误差。”星载氢原子钟项目负责人帅涛说。
　　为改善导航系统指标，国外主要的卫星导航系统都配置了高性能原子钟，如美国GPS卫星配置了铯原子钟和铷原子钟，欧洲伽利略卫星、俄罗斯格洛纳斯卫星则配置了氢原子钟和铷原子钟。铷原子钟和铯原子钟各有特色：铷原子钟造价比较便宜，但精度相对较差；铯原子钟长时间性能好，比较适合用于地面时间基准。而氢原子钟的短中期性能比前面两个都好，适合用于导航卫星时间维持。
　　我国北斗局域系统卫星仅配置了铷原子钟，目前其在轨服务能力可满足我国区域导航定位要求。北斗全球系统卫星以提供全球高精度导航定位服务能力为目标，对星载原子钟提出了更高要求。星载氢原子钟稳定程度高，但技术难度大，而且国外对该项技术的出口限制非常严格。
　　上世纪70年代，上海天文台研制出我国首台地面主动性氢原子钟。从2003年开始，天文台启动了星载氢原子钟研究项目。和地面产品使用的原子钟不同，星载氢原子钟除需具备高稳定性、高精度外，还需产品体积小、重量轻、可靠性高，能经受卫星发射期间震动、冲击等力学考验，能适应卫星在轨运行期间的高低温环境和空间辐射环境，并且能在轨连续稳定工作12年以上。
　　为数百公斤重的主动性氢原子钟“瘦身”，成为科研团队需跨过的一道“坎”。为了让氢原子钟“瘦”到100多公斤的极限，研究团队果断转而研制被动型氢原子钟。在首席科学家林传富研究员的带领下，该团队经过6年的原理探索和技术工程化改造，终于突破了关键技术，完成星载氢原子钟研制所需的各项技术积累，其中电极式微波腔技术、双频电路技术等被应用于氢原子钟，更是国际首创。
　　不过，当时的氢原子钟整机依然有35公斤，这对于一颗卫星来说还是太重，而且，每重1公斤，就会给卫星搭载增加一份重大的负担。经过一次次技术攻关，最后，氢原子钟终于成功“瘦身”到25公斤。
　　目前，上海天文台已具备每年4台氢原子钟的研制能力。（记者 黄海华）