北斗100问丨北斗系统星载原子钟-北斗科技文化网

星载原子钟是北斗导航卫星的最关键载荷之一,是时频分系统的心脏,可为卫星系统提供高稳定的时间频率信号,其性能决定了导航系统定位、测速及授时精度。理论上如果钟的精度提高,导航精度也会改善。

现在原子钟的精度可以达到每100万年不差1秒。这为天文、航海、宇宙航行、卫星导航等提供了强有力的保障。美中不足的是,原子都有热运动,常温下大概每秒几百米。这使得原子和电磁波的作用时间太短,导致得到的原子钟精度不高,也就到纳秒量级,这就是目前GPS和北斗卫星上正在用的原子钟。

卫星导航都依赖原子钟,因为只有原子钟能够在足够小的体积内实现优于1纳秒的精度。但现在的导航卫星,无论是GPS还是北斗,都使用普通原子钟,也可以称为热原子钟(相对冷原子钟而言)。其基本原理是利用特殊原子(例如氢原子、铷原子、铯原子)的某个特定跃迁频率,这个频率有极高的稳定性,精度可以到皮秒甚至飞秒,但原子的这个跃迁频率不能直接用,需要通过电磁波与原子相互作用,间接地用电磁波把这个频率导出来,这是原子钟的基本原理。

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北斗系统采用的星载原子钟

星载原子钟是导航卫星的主要有效载荷,对星载原子钟不仅有精度的要求,还有极高的可靠性和寿命要求。长期以来,中国星载原子钟的研制备受海内外业界人士关注。目前发射的北斗导航卫星星载原子钟已经全部实现国产化。在轨测试结果表明,进口钟和国产钟的指标相当。但从世界范围来看,星载原子钟的指标一直在改善,所以星载原子钟的研制是一项长期的任务。