“让北斗用上最好的钟”:科技创新为卫星导航系统带来优异性能

发布时间:2020-11-19

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“让北斗用上最好的钟”:科技创新为卫星导航系统带来优异性能

中国科学报 中国科学报 2020-06-24

作者 | 王之康

6月23日9时43分,西昌卫星发射中心。

搭载着北斗三号最后一颗全球组网卫星的长征三号乙运载火箭,伴随着火光、烟雾和轰鸣声,飞离塔台,冲向云霄,并准确进入预定的地球静止轨道。

不久之后,作为四大全球卫星导航系统之一的北斗,将为全球用户提供更加完备的时空信息服务。

其中,与人们日常生活息息相关的,要数全天时、全天候、高精度全球定位导航授时服务了。

这项服务的实现离不开一个核心装置,即卫星的“心脏”——原子钟。

从无到有、由有到精



上世纪90年代,我国制定了北斗卫星导航系统“三步走”的发展战略。

星载原子钟是导航卫星的关键技术。

通常,导航卫星上应用的原子钟有铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟。

相较而言,铷原子钟体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长,制造和使用成本也最低,因此被各国导航系统普遍采用。

当时,星载原子钟技术仅为欧美少数科技强国掌握,在我国属于技术空白。

要建成完全自主可控的卫星导航系统,我国只能走自主研发的道路。

但要实现从无到有的突破,其难度可想而知。

1997年,这个重担落在了中国科学院精密测量科学与技术创新研究院(原武汉物理与数学研究所)研究员梅刚华的肩上。

“刚开始做的时候,我们的铷原子钟的精度跟西方发达国家的差距有两个数量级。”

梅刚华告诉《中国科学报》,“对铷原子钟的寿命、可靠性和卫星环境适应性等,则完全没有设计概念,差不多就是一片空白,只能下苦功夫,反复设计、试验、改进,寻找最佳方案。”

从那时开始,梅刚华就带领团队一头扎进了星载铷原子钟技术研究工作中。

此后的20多年间,抱着“让北斗用上最好的钟”的信念,梅刚华团队相继突破了星载铷原子钟精度、小型化、寿命、可靠性和卫星环境适应性五大关键技术,研制出三代星载铷原子钟,使我国星载铷钟技术实现了从无到有、由有到精的跨越。

如今,北斗三号卫星的每颗卫星都装上了梅刚华团队的星载铷原子钟。

已经投入使用的第三代产品——甚高精度星载铷原子钟,其精度可以达到每天100亿分之5秒,处于国际领先水平。

不过,梅刚华并没有满足于研究现状。“我们正在研制新一代星载原子钟,预期精度比甚高精度星载铷钟更高。”

从铷钟到氢钟



几乎与梅刚华团队同时,一支来自中国科学院上海天文台(以下简称上海天文台)的科研团队也投入到星载原子钟的研制行列当中。

不过,他们研制的是另外一种原子钟——星载氢原子钟。

其实,从上世纪七八十年代开始,上海天文台就开始了地面氢原子钟的研制工作,这也为2002年我国首台星载氢原子钟的诞生及其之后的工程化研制奠定了深厚的基础。

“氢钟同时具备频率稳定性好、漂移率小的特点,在主要保证精度的同时还能提高卫星的自主运行能力。”上海天文台研究员帅涛告诉《中国科学报》。

目前,仅有中国的北斗卫星和欧洲的伽利略卫星同时配置了星载铷原子钟和星载氢原子钟。

据帅涛介绍,我国研制的星载氢原子钟与欧洲的相比,两者地面测试性能相当,但从在轨综合表现来看,我国星载氢原子钟实现的用户测距误差更小。

2015年9月,由上海天文台研制的我国首台星载氢原子钟随北斗三号卫星上天应用。

它突破了多项关键技术,核心元器件全部国产化,实现了完全自主可控。

即使氢原子钟在太空中突发故障,也丝毫不用担心。

“卫星设计了时频生成与保持系统,可以实现主用原子钟和备用原子钟之间无缝切换,切换前后卫星时间变化小于20皮秒(1皮秒等于1万亿分之1秒),用户测距误差小于0.01米。”

中国科学院微小卫星创新研究院副院长、北斗卫星总师林宝军说,用户完全察觉不到原子钟的切换所带来的导航定位信号改变。

据了解,上海天文台研究团队下一步还将在保证星载氢原子钟性能指标的同时,将其重量减轻至10公斤以下,以适应下一代高集成度导航卫星发展的需要。

三个“创新”



可以说,北斗能够跻身四大全球卫星导航系统之列,甚至部分性能优于其他导航系统,最直接的原因就是一系列技术创新。

除了前文提到的铷原子钟和氢原子钟外,还有基于相控阵的Ka星间链路技术,解决了制约北斗全球组网的瓶颈问题。

研究人员还首次在导航卫星上采用大功率氮化镓固态放大器,提高了信号质量。

利用卫星自主诊断恢复技术,卫星在完全没有地面干预的情况下,可以进行自主健康诊断、故障隔离和恢复等。

不过,在林宝军看来,技术创新固然重要,但还有两个方面的创新,更值得关注和思考。

首先是理念的创新。

专家表示,以往的卫星都是按照分系统设计,就是把一个卫星系统分成若干个分系统,包括结构、姿控、推进等,每个分系统都有主任设计师负责。

“分系统的好处是责任界定清楚、分工比较明确,但缺点也显而易见,就是设计冗杂、可靠性低。”

林宝军说,“因此,我们提出了‘功能链’的设计理念,从本质上实现了平台内部的一体化设计,分为姿轨控、结构热、电子学、载荷四个功能链,最大限度地完成了卫星内部各项资源的优化整合,提高了功能密度,提升了可靠性,大幅降低了成本。”

其次是观念的创新。

航天领域曾有个不成文的规矩,就是新技术使用不能超过30%,否则风险增大,系统不可控。

但林宝军认为,新技术不等于不可靠。

而且,一般攻关一项航天技术要花10年左右时间,攻关成功后研制卫星又可能要10年。

“这等于你用人家现在的技术,等你把卫星做出来,已是人家20年前的老技术了,肯定不行!”

所以,航天领域要突破传统观念,采用长板理论,大胆使用创新技术。

“就好比铷原子钟和氢原子钟,要大胆发展、使用性能指标更高的氢原子钟,同时也要装备铷原子钟来保底,做到万无一失。”林宝军说。

“创新是科技的灵魂,尤其是中科院的人,从骨子里就要能创新。”

林宝军指出,只有做创新的事,把创新和工程结合起来,才能够实现跨越发展。

 (封面图片摄影:胡煦劼)


《中国科学报》 (2020-06-24 第1版 要闻)

编辑 | 赵路
排版 | 郭刚
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