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北斗“心脏”之星载铷原子钟研制:从空白到领跑

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  (新中国70年)北斗“心脏”之星载铷原子钟研制:从空白到领跑 

  中新社武汉8月18日电 题:北斗“心脏”之星载铷原子钟研制:从空白到领跑

  作者 马芙蓉 杨婷婷

  星载原子钟是卫星导航系统“心脏”,对系统定位和授时精度具有决定性作用。中国科学院武汉物理与数学研究所(简称“武汉物数所”)研究员梅刚华率队历经20余年攻关,研制出具有完整自主知识产权的星载铷原子钟(简称“星载铷钟”),整体性能实现国际领先。

  记者近日走近梅刚华及其团队,揭秘星载铷钟研制历程。

  从零开始反复试验

  上世纪90年代,中国制定北斗卫星导航系统“三步走”发展战略,作为其中关键技术的星载原子钟,在当时的中国属于技术空白。

  可用作星载原子钟的有氢原子钟、铯原子钟和铷原子钟。三者相比,铷原子钟体积小、重量轻、功耗低、可靠性高和寿命长,制造和使用成本也最低,因此为各国导航系统普遍采用。

  在从国外引进星载铷钟遭拒后,中国开始自主研制之路。兼具原子分子物理与无线电物理学科优势的武汉物数所,成为中国最早开展星载原子钟研究单位。

  梅刚华回忆,1997年承担首个星载原子钟预研项目时,他和同事对铷原子钟的寿命、可靠性和卫星环境适应性等完全没有设计概念,只能反复设计、试验、改进,寻找最佳答案。

  铷原子钟核心部件微波腔,直接决定原子钟信号强弱。团队不断尝试,用时一年多研制出开槽管微波腔,奠定铷钟高稳定度和小型化技术基础。团队还发明一种新型铷光谱灯,克服了限制铷钟寿命和卫星环境适应性的主要障碍。

  “让北斗用上最好的钟”

  历经多年努力,团队在2007年研制出可满足卫星导航系统1米定位精度应用需求的第一代星载铷钟,产品批量装备在北斗二号卫星,为北斗系统在2012年完成亚太地区组网并提供区域服务作出重要贡献。

  团队立志“让中国的北斗用上最好的钟”,近五年来先后研制出第二代高精度星载铷钟和第三代甚高精度星载铷钟。其中,第二代产品批量装备北斗三号卫星;第三代产品则是目前世界上性能最高的铷原子钟,在2018年年底首次用于北斗三号卫星。

  在武汉物数所展示室,10余种原子钟样机依次排列,述说着升级迭代历程。记者看到,早期的氢原子钟有1人多高,最新一代的星载铷钟则只有鞋盒大小。梅刚华介绍,原子钟的发展趋势是体积越来越小,性能越来越好。

  目前,武汉物数所是中国唯一具备星载铷钟整机设计和研制能力的单位。梅刚华透露,近几年北斗三号系统建设高峰期,每年由该所交付使用的星载铷钟达10余台。截至目前,共有45台该所研制的星载铷钟随北斗卫星上天,另有6台用在其他卫星上。

  “吃着碗里,看着锅里”

  2000年底,中国建成北斗一号系统;2012年底,建成北斗二号系统,向亚太地区提供服务。目前,正在实施北斗三号系统建设,计划在2020年前后,建成北斗全球系统。

  梅刚华表示,现有的星载铷钟完全可以满足北斗三号系统定位精度应用需求,但“搞科学研究,要吃着碗里,看着锅里,往后多看几步。”他和团队还在研制下一代星载原子钟——汞离子钟,已制作出原理样机,精度预期比甚高精度星载铷钟更高。

  梅刚华透露,除星载原子钟外,实验室还研制出可搬运钙离子光钟原理样机和仅手表大小的芯片级原子钟,前者有望用于北斗地面站,后者可用于高性能北斗接收机。(完)

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