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航天科工开发星载原子钟 军民领域均受青睐

行业聚焦点中国仪表网2014年09月17日 11:38人气:16213

  【中国仪表网 行业聚焦点】近日,航天科工下属二院203所研制的两项原子钟课题分别获得“军队科技进步一等奖”和“军队科技进步二等奖”殊荣,其原子钟研发创新能力获得肯定。
  

        铷原子钟被誉为卫星导航定位系统的“心脏”,可为卫星系统提供高稳定的时间频率信号,其性能指标是决定定位系统指标的主要因素之一。相对于地面铷钟,星载铷钟设计技术要求更高,需要考虑更多空间影响因素、更高技术指标要求和工艺要求,是关系到整个卫星系统导航定位精度的核心部件,中国研制成功高性能星载铷钟,将为北斗导航定位提供精度保障。
  
  据介绍,中国航天科工二院203所是中国目前唯一同时开展氢、铷、铯3种原子钟技术研究与工程研制的单位,一直致力于原子钟的工程化和国产化应用,其研制的氢钟、铷钟和铯钟产品已提供多个国家重点工程和国防领域使用。该所2004年承担北斗导航星载铷钟正样研制任务,设计总体技术方案已比较成熟,元器件国产化率达到100%,从而真正实现技术自主化,破除了国外这方面的技术封锁。
  
  目前,203所已顺利完成其在北斗区域卫星导航系统中担负的全部任务,交付北斗导航卫星总体5个批次10台星载正样铷钟已陆续投入使用,至今运行稳定,创造出全部产品无故障的良好质量记录。该所此次成功研制新一代高精度星载铷原子钟,将进一步巩固和提升中国星载原子钟研究的地位与水平,并为北斗全球卫星导航系统的全面建设奠定基础。
  
  中国航天科工集团公司二院203所4台氢原子钟成功中标中国地震局“中国大陆构造环境监测网络”(简称陆态网络观测)原子频标设备采购项目。该项目是我国为实现自主监测环境、全面防灾减灾而建设的国家重大科技基础设施和重点工程。
  
  所谓原子钟,就是利用氢、铷、铯等原子的稳定振荡频率制成的极精密的计时器。世界上最精确的钟表是名为NISTF-1的原子钟,现在被放置在美国国家标准和技术研究所物理实验室里。它既没有指针也没有齿轮,也不直接显示钟点。它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。在2000万年内,它既不会少1秒,也不会多1秒。
  
  据专业人员介绍,直到上世纪20年代,最精确的时钟还依赖于钟摆的规则摆动。后来,人们用石英晶体制造出了更为精确的时钟,每天误差不大于千分之一秒。即便如此,也满足不了科学研究的需要。于是,在对科学理论的极致追求中,1948年,世界上第一台原子钟诞生了。
  
  时至今日,原子钟在导航定位、通信、计量、物理定律验证等领域已有着极为广泛的应用。203所有关专家举例说,利用现代卫星手段进行距离测量时,由于包含“卫星时钟与接收机时钟同步误差”因素,习惯上将测得的距离称作“伪距”(伪距=时间×光速)。换句话说,时间决定空间,时间信息越精确,空间信息也就越精确。
  
  我国在原子钟研制上起步较晚,与美国、欧洲之间的水平差距较大。但是,时间频率体系对国防建设和国民经济发展越来越重要。1999年,随着国防科学技术进入大发展时期,原子钟作为导航定位、多探测器数据融合等应用的重要装备而备受关注。无论是地面运控系统还是星上载荷,都对原子钟有强烈的需求。
  
  为了适应新的形势,203所在“十一五”规划中,将原子钟的研制确定为该所频率控制专业核心产品,继续加大对原子钟的投入;成立了专门的原子频标研究室,完善了设计、调试、试验、测试条件;加大了以引进高层次优秀毕业生为主的人才队伍建设。
  
  “原子钟不同于其他产品。只要它一插上电,就必须运行到寿命期满。”简简单单的一句话,透露出了原子钟研制的难度。这么多年来,困扰203所原子钟研制团队的主要就是产品的可靠性和工程化问题。
  
  由于原子钟技术涉及量子物理、电子、微波、自动控制、光学、测量、计算机、材料以及制造工艺等多个学科,工作机理十分复杂。原子钟调试测试周期长,各组成单元指标要求高,对温度、磁场、真空等环境需要精密控制。该所技术人员表示,这么多年没有向社会推出产品,就是因为总觉得可靠性还不够好。
  
  实际上,该所是国内唯一同时从事氢、铯、铷钟研制的单位,产品阶段覆盖预研、研制和批量生产,专业技术配套覆盖上下游。近些年,该所已经向我国的北斗卫星导航工程交付了多台铷原子钟,在北斗卫星系统中发挥着重要作用。
  
  “氢、铷、铯三种原子钟是最适合工程化应用的。目前,国内研制的氢、铷钟都已经达到了工程化应用水平。从准确度来看,铯钟最高,铷钟最差,氢钟居中。从稳定度来看,氢钟最高,铷钟最差,铯钟居中。但铷钟的特点是体积最小。因此,目前卫星上携带的主要还是铷钟。”该所原子频率标准研究室主任高连山说。
  
  作为工程技术基础研究所,在完成多项总装和科工局支持的原子钟科研项目的同时,一直致力于原子钟的工程化和国产化应用。研制的氢钟、铷钟和铯钟产品已提供和正在提供多个国家重点工程、军队和军工部门的建设与研究工作。
  
  不仅如此,203所也是国内唯一的一家同时研制地面和空间用途的铷原子钟、氢原子钟和铯原子钟的单位,产品性能指标、可靠性一直处于国内领先甚至世界先进水平,目前这些产品已广泛应用于导航卫星、测绘卫星、空间站等空间场合,以及导航定位守时钟组、陆态网、CCTV等地面场合,在军、民等领域受到了越来越多的青睐。
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