原子钟:让无形而又无处不在的时间测得更精准

生活中我们常以分秒来计时,而在当今的太空探测、通信导航、天文观测、工业自动化等领域,却越来越需要更精密的时间测量,时间常常被准确到万分之一秒,甚至百万分之一秒,为了达到这一要求,许多精密的计时器诞生了,原子钟就是其中之一。


  原子钟是利用原子在不同能级(数值高度确定)吸收或释放能量时发出的电磁波的频率的周期作为计时单位的。由于这种电磁波产生于原子内部微观运动其频率属于自然频率,所以非常稳定。

  由于原子钟涉及量子力学、电磁学、材料学、热学、真空物理、电子学等多学科,是一个高精度、多交叉学科产物,研制难度很大。相较于我们的手表几天就会同标准时间相差一秒,原子钟要求指标高,其准确度在E的-12次方,稳定度要求在E的-14次方,如果扣除钟漂移,至少上万年才会有一秒钟差。除了指标,其可靠性要求更高,原子钟一旦开机就要连续运转,这就意味着工作到“寿终正寝”,中间不能出现任何问题。

  原子钟的调试测试周期都很长,尤其是在调试测量日频率稳定度时,一改锥下去,打开机盖,就意味着要等15天时间,才能准确评估这台钟是否达标,两改锥就一个月出去了。这就意味着,要花费大量的时间来进行调试,这是一项对工程经验要求极高又极其耗费精力、时间的心血活儿,原子频率标准研究室主任高连山介绍道。



星载铷钟


  航天科工203所是国内唯一一家同时具有氢钟、铷钟、铯钟生产能力的研制单位,铷原子钟具有体积小重量轻、功耗低、技术难度相对较低、可靠性高等优势,被全球四大导航系统普遍采用,但其长期稳定度和漂移率指标相对较差。被动型氢原子钟体积、重量和功耗相对较小,可搬运,因其独有的选态组件和储存泡结构特性,使得其可获得较为理想的原子跃迁谱线,其稳定度指标相比铷钟、铯钟都是最优。其漂移率虽不及优选型铯原子钟,但可保障导航系统长达半年以上的自主导航能力,这使得氢钟成为卫星导航中最具有竞争力的原子钟。铯原子钟的最大优势是低漂移特性,主要用于导航卫星的长期自主守时,可满足非常时期的应用需求,但铯原子钟的几项关键技术,目前国际上仅有美国掌握。

  在当前全球四大卫星导航系统中,美国GPS采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式。欧盟的伽利略、俄罗斯的三代格洛纳斯以及我国正在建设的北斗三号,均采用铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式。我国北斗采用了三种轨道,MEO,GEO,IGSO,更具特色,不仅有助于在中国国土面积内更好地对北斗进行控制,还具备了独有的短报文服务。

  由导航卫星搭建的星地坐标系中,每个星座都有自己的坐标信息,通过测量我们与星座间的距离,就能解算出我们在该坐标系的位置。在光速已知的前提下,时间测量越精密,位置解算就越精确。在卫星导航系统中,1纳秒的时间测量误差将会引起0.3米的测距误差,因此时间的精密测量决定着导航定位精度。如果没有高精度时间测量神器原子钟,就无法实现准确导航。原子钟是整个导航的核心,没有原子钟就没有导航。氢钟团队骨干王文明博士介绍道。

  导航卫星一般由20余颗组成,每颗卫星都搭载着一组原子钟,原子钟的体积小、重量轻、功耗小,为了提高钟组可靠性,一般采用1台主钟加备份钟的方案,一旦工作异常,钟组无损切换,同时,原子钟的时间同地面的标准时间还要定期进行校对,每经过地面站的时候都会进行校对,以确保原子钟的准确度。上述机制保障长期连续可靠的保持着高精度的星上时间。

  北斗导航系统全国产化星载原子钟的批量搭载,标志着我国原子钟发展已经摆脱了国外技术封锁,并实现了从跟跑到并驾齐驱的跨越,目前我国正着力研制新一代更高性能水平原子钟,以期达到国际一流水准。



星载氢钟



地面守时氢钟
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