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两千万年误差一秒,北斗的国产核心器件有多强?!

发表时间:2020-08-08 13:22

8月3日,北斗三号全球卫星导航系统正式开通。近10年来,我国卫星导航与定位服务的总产值的年复合增长率达到20%以上,2019年达到了3450亿元,而今年有望突破4000亿元大关。专为北斗导航服务的28nm SoC芯片也已量产,22nm工艺的芯片量产也即将被提上日程。



中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其称通过技术攻关,北斗三号卫星已经实现了核心器部件国产化率100%,这其中就包含了星载氢原子钟和铷原子钟。

原子钟

人们日常使用的钟表每年都会产生1分钟左右的误差,对于严苛的生产和科研环境,普通的计时工具再也无法满足人们的需求,原子钟也因此应运而生。原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波计时,因为该电磁波的稳定性,加之精密仪器的控制,其精度可至每2000万年误差1秒。

不同原子钟的稳定性对比


目前常用的原子钟元素有氢、铯和铷。从频率稳定性上来比较,铯钟优于铷钟,而氢钟的稳定性最高,但追求稳定性往往意味着需要付出能耗、体积以及老化的代价。

作为高精度且稳定的计时工具,原子钟常用于电台、广播与网络的报时服务,国际时区的调整以及作为仪器校准的外部时基,但近年来用途更为广泛的功能,还是提高全球卫星导航系统的定位精度。

备战全球卫星导航系统(GNSS)

卫星导航系统最关键的一大功能就是测距,其原理是通过测量电磁波的传播时间来计算距离,但由于电磁波以光速传播,准确测量就需要极其精确的计时设备,哪怕存在1纳秒的时间误差,测量距离都会出现0.3米的偏差。而太空环境下对稳定性的要求更高,因此原子钟自然成了不二之选。

全球卫星导航系统概况

目前全球主导的卫星导航系统有美国的GPS(全球定位系统)、俄罗斯的GLONASS(格洛纳斯)、欧盟的GALILEO(伽利略)以及中国的北斗。这四大系统中,GPS的每颗卫星至少包含两个铯原子钟和两个铷原子钟;欧盟的伽利略导航则采用了铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方案,每颗卫星搭载两个被动式氢原子钟和两个铷原子钟。

伽利略所用被动型氢原子钟 / Galileo


中国建立自研的卫星导航系统的路途可谓曲折,2000年到2003年,我国陆续发射了三颗实验性质的北斗导航卫星。03年间,中国加入了欧盟的伽利略导航系统项目,并投资了2.3亿欧元,但自06年起,欧盟联合美国开始排挤中国对该计划的参与,中国只好将精力重新转回到北斗系统上来。

为了与同步开发的伽利略竞争卫星导航的频率资源,07年升空的北斗二号首发星第一次搭载了国产化的铷钟。2012年后的北斗二号卫星中,国产铷原子钟也实现了全面替代。北斗三号的星载氢原子钟由中科院上海天文台研制,据地面测试来看,与伽利略卫星的星载氢钟性能相当,但在轨表现上,我国的星载氢钟在用户测距上的误差上更小,其长期预报精度高出星载铷钟一个量级以上。

说完了国家级别的原子钟,我们不妨来看看商用级别的原子钟详细性能如何。

Microchip

SA.45s 太空级芯片原子钟(1.6” x 1.39” x 0.45”) / Microchip


Symmetricom是一家老牌原子钟厂商,其产品涵盖氢钟、铷钟和铯钟,以及微型原子钟和芯片级原子钟,同时也是全球供应商用铯钟的仅有两家厂商之一,另一家是瑞士的Oscilloquartz。Symmetricom于2013年被Microsemi收购,后者又在2018年被Microchip收购。上图是SA.45s,一款太空级的芯片原子钟,其面积大小和一枚硬币相差无几。但物理尺寸不是该原子钟的唯一优势,SA.45s的功耗低于120mW,耐受20krad的辐射,短期稳定性可达3.0 x 10-10,长期老化率小于9x10-10/月。基于其尺寸、质量和性能上的优势,配以较低的成本,该原子钟非常适合近地轨道(LEO)的商用卫星应用。

MHM 2020主动型氢钟 / Microchip


被动型氢钟主要靠外部提供的1.420GHz频率使微波腔体振荡,而在主动型氢钟中,主要靠微波腔体自身的振荡,这就需要更高的氢原子密度和更高的微波腔Q值,因此主动型氢钟也更昂贵,单价往往在20万美元以上。但主动型氢钟具有更好的短期和长期频率稳定性,就拿Microchip的MHM 2020来说,该主动型氢钟是对MHM2010产品的重新设计,可以实现3x10-16的日漂移率,适合甚长基线干涉测量(VLBI)等应用,从而辅助探测卫星任务和天文观测。

KVARZ

CH1-95主动型氢原子钟 / KVARZ


KVARZ是俄罗斯最大的无线电电子测量仪器的开发和制造商,CH1-95是该公司最新推出的主动型氢原子钟。该氢钟的频率精度可至±5x10-13/年,日漂移率小于5x10-16,频率的温度系数为±1.5x10-15/℃。该产品可用于频率参考源,全球定位/卫星导航(GPS/GNSS),深空追踪,甚长基线的干涉测量和阵列(VLBI/VLBA)等场景,KVARZ称本产品已经交付给多个国家的大学、天文台和计量中心。

上海天文台

上海天文台研制的地面主动型氢原子钟已经在北斗的地面系统中广泛应用。经历研发人员多年的技术攻关后,首创了氢原子钟的时分双屏调制技术,降低了输出频率对纠偏信号幅相变化的敏感性,使原子钟的核心性能指标达到了国际水准。不仅如此,该氢原子钟首度应用了电极式微波腔,有效提高微波腔Q值和原子跃迁信号强度。同时上海天文台的被动型星载氢原子钟在北斗系统中作为主钟使用,在轨天稳定度和漂移指标达到了小系数E-15量级,在保证性能的同时,新一代氢钟从初代的24公斤减重至13公斤,同时降低了10%的功耗。

天奥电子

除了中科院上海天文台和武汉物数所研制的国家级原子钟外,成都天奥电子也在研发自己的铷原子钟、铯原子钟和CPT原子钟,主打产品为高精度的铯原子钟。2018年第二十届中国国际工业博览会上,天奥电子展示了我国自研的首台铯原子钟TA1000,并指出这也是郭继山第一台激光小型铯原子钟。在回答投资者提问时,天奥电子还提到北斗三号也应用了该公司的原子钟。

小结
全球导航还不是原子钟的最大潜力,中国国家宇航局和NASA现在已经开始展望应用于深空探索的原子钟部署,帮助太空任务更好实现定位和着陆。从原子钟的开发进度和成果来看,我国依然维持在世界领先水准,但我们仍需要看到更多的商业运用场景,随着未来政策和技术进一步开放,相信国内也能涌现SpaceX这样的太空探索技术公司。


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