两千万年误差一秒,北斗的国产核心器件有多

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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,年达到了亿元,而今年有望突破亿元大关。专为北斗导航服务的28nmSoC芯片也已量产,22nm工艺的芯片量产也即将被提上日程。

北斗三号最后一颗全球组网卫星成功发射/北斗卫星导航

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%,这其中就包含了星载氢原子钟和铷原子钟。

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,其精度可至每万年误差1秒。

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。

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,年到年,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。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。

SA.45s太空级芯片原子钟(1.6”x1.39”x0.45”)/Microchip

Symmetri


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