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聊一聊,北斗衛(wèi)星星載原子鐘的作用是什么?

發(fā)布時(shí)間:2022-04-13 10:36:58

  小伙伴們,又到了漲知識的時(shí)候啦,這次,我們來簡單聊一下原子鐘到底在北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)里面的作用是什么?來來來,端好凳子,我們開講啦!

  星載原子鐘是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的最關(guān)鍵載荷之一,是時(shí)頻分系統(tǒng)的心臟,可為衛(wèi)星系統(tǒng)提供高穩(wěn)定的時(shí)間頻率型號,其性能決定了導(dǎo)航系統(tǒng)定位、測速及授時(shí)的精度。理論上如果鐘的精度提高,導(dǎo)航精度也會(huì)改善。

北斗系統(tǒng)采用的星載原子鐘(氫原子鐘)                  

  現(xiàn)在原子鐘的精度可以達(dá)到每100萬年誤差不超過1秒。這為天文、航海、宇宙航行、衛(wèi)星導(dǎo)航等提供了強(qiáng)有力的保障。美中不足的是,原子都有熱運(yùn)動(dòng),常溫下大概沒秒幾百米。這使得原子和電磁波的作用時(shí)間太短,導(dǎo)致得到的與阿奴自鐘精度不高,也就到納秒量級,就是目前GPS和北斗衛(wèi)星上正常使用的原子鐘。

  衛(wèi)星導(dǎo)航都依賴原子鐘,因?yàn)橹挥性隅娔軌蛟谧銐蛐〉捏w積內(nèi)實(shí)現(xiàn)由于1納秒的精度。但是現(xiàn)在的導(dǎo)航衛(wèi)星,無論是GPS還是北斗,都使用普通原子鐘,也可以成為熱原子鐘(相對冷原子鐘而言)。其基本原理是利用特殊原子(如氫原子、銣原子、銫原子)的摸個(gè)特定躍遷頻率,這個(gè)頻率有極高的穩(wěn)定性,精度可以到皮秒甚至飛秒,但是原子的這個(gè)躍遷頻率不能直接使用,需要通過電磁波與原子相互作用,間接地用電磁波吧這個(gè)頻率導(dǎo)出來,這是原子鐘的基本原理。

  無線電導(dǎo)航的基本原理是測量信號傳播的時(shí)間延遲或時(shí)差,間接的實(shí)現(xiàn)距離測量。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是無線電導(dǎo)航的一種,也是精確測量微博信號從衛(wèi)星走到你跟前所用的時(shí)間,再乘以光速就可以得到天上的衛(wèi)星和你之間的精確距離。導(dǎo)航衛(wèi)星距離地球2-4萬多千米,導(dǎo)航信號達(dá)到地面時(shí)易經(jīng)理非常微,衛(wèi)星導(dǎo)航采用偽隨機(jī)編碼技術(shù)生成測距信號,用戶通過碼相關(guān)技術(shù),提取出測距信號從衛(wèi)星到用戶傳播的時(shí)間延遲,從而形成偽距測量值,若他同時(shí)測量4顆及以上衛(wèi)星,就可進(jìn)行導(dǎo)航定位。

  對于單星的時(shí)差測量,1微秒的測量誤差,則距離誤差約為0.3米。若衛(wèi)星鐘之間的偏差位置,也無法實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。因此,不同衛(wèi)星之間也需要時(shí)差測量或時(shí)間同步,以確保整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在同一時(shí)間基準(zhǔn)下協(xié)調(diào)工作。為確保不間斷的連續(xù)服務(wù)能力和星載鐘在亞微秒精度小的預(yù)報(bào)能力,必須選用高精度的原子鐘作為星載電子設(shè)備的基準(zhǔn)信號源。從某種意義來講,星載原子鐘的性能,是導(dǎo)航服務(wù)性能的重要決定因素之一,也是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)初期建設(shè)的瓶頸問題。

  衛(wèi)星導(dǎo)航對原子鐘和時(shí)頻技術(shù)來講有巨大的牽引、驅(qū)動(dòng)作用。導(dǎo)航系統(tǒng)既需要準(zhǔn)確度高的基準(zhǔn)原子鐘,也需要穩(wěn)定度非常高的守時(shí)原子鐘,同事還需要可靠性高,小型化、低功耗的星載原子鐘,針對不同的應(yīng)用,鐘的性能指標(biāo)和使用方法也不盡相同,因此原子鐘和時(shí)頻技術(shù)是整個(gè)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的賀信組成部分。

   銣原子鐘和銫原子鐘各有特色,銣原子鐘造價(jià)比較低,但精度相對較差;銫原子鐘長時(shí)間性能好,比較適合用于地面時(shí)間基準(zhǔn);氫原子鐘的短中期性能比前兩個(gè)都好,適合用于導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)間維持。

當(dāng)前全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

  當(dāng)前全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中,美國GPS導(dǎo)航衛(wèi)星采用了銫原子鐘和銣原子鐘結(jié)合的方式,歐盟Galileo導(dǎo)航衛(wèi)星采用了銣原子鐘和被動(dòng)型氫原子鐘結(jié)合的方式,俄羅斯GLONASS-K三代導(dǎo)航衛(wèi)星也將采用銣原子鐘和被動(dòng)型氫原子鐘結(jié)合的方式,我國新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星正在開展銣原子鐘和被動(dòng)型原子鐘結(jié)合的方式的研究。

  星載原子鐘是導(dǎo)航衛(wèi)星的主要有效載荷,對星載原子鐘不僅有精度要求,還有極高的可靠性和壽命要求。長期以來,中國星載原子鐘的研制備受海內(nèi)外業(yè)界人士關(guān)注。目前發(fā)射的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星載原子鐘已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。在軌測試結(jié)果表明,進(jìn)口鐘和國產(chǎn)鐘指標(biāo)相當(dāng)。但從世界范圍來看,星載原子鐘的指標(biāo)一直在改善,所以星載原子鐘的研制是一項(xiàng)長期的任務(wù)。


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