科学|作为北斗导航卫星“心脏”，这台钟数百万年甚至1千万年才有1秒误差|新科普( 二 )
星载氢原子钟由物理和电路两部分组成 。 物理部分由腔泡系统、真空系统、原子置备系统、磁屏蔽系统以及准直和选态系统等系统组成 。 电路部分包括主伺服电路、恒温电路、高压源模块和恒流源模块等子系统 。
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氢钟在太空下的工作环境存在一定的温度波动 ， 而电路参数对温度较为敏感 。 为实现氢钟的长期稳定性 ， 上海天文台研究人员首创了氢钟时分双频调制技术 。 该技术采用两个调制频率对本地探测信号进行相位调制 ， 实现晶振频率和微波腔频率锁定至原子跃迁频率 。 研究人员利用原子跃迁信号分时控制方式 ， 分离了原子跃迁探测信号和微波腔探测信号 ， 解决了这两个信号之间相互干扰的难题 ， 这不仅有效降低了氢钟输出频率对纠偏信号幅相变化的敏感性 ， 使得电路对环境的敏感度降低 ， 温度系数指标达到国际先进水平 ， 与此同时也为氢钟实现优异的长期频率稳定度和漂移率指标提供了保障 。
研制团队首次在氢钟上应用了原创的电极式微波腔 ， 新型电极式微波腔的腔Q值达到8000以上 ， 相比磁控管微波腔重量轻了10% ， 物理系统信号增益更高 ， 一般磁控管腔的信号增益为2.5分贝,新型电极式微波腔的信号增益超过3分贝 ， 为氢钟高稳定度指标的实现奠定了基础 。
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在卫星真空环境下 ， 原子碰撞容易导致电离泡发热老化及电磁波透波效率降低的问题 ， 研制团队提出并实现了基于国产功率管和氮化硼材料的新型电离源系统 ， 利用氮化硼材料的透波散热特性 ， 解决了电离源因高发热导致可靠性降低的难题 ， 电离源温度由80℃以上降低到50℃以下 ， 相比传统结构具有更通畅的传热途径和更高的传热效率 ， 提高了电子元器件在轨工作寿命 ， 保证了氢钟电离源系统的高效可靠运行 。
主用和备用原子钟可实现无缝切换
如果氢钟在空中突然发生故障怎么办？“不用担心 ， 卫星配置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皮秒等于一万亿分之一秒） ， 对应的用户测距误差小于1厘米 。 ”帅涛告诉解放日报?上观新闻采访人员 ， 这就意味着 ， 如果开车时卫星切换了星载原子钟 ， 用户完全察觉不到导航定位信号发生了改变 。
为适应下一代高集成度导航卫星发展需要 ， 研究团队在保证性能指标的同时 ， 把氢钟重量减轻了一半左右 。 第一代星载氢钟24公斤 ， 今年刚完成研制的只有13公斤 ， 功耗也降低了10%左右 。 解决了航天产品小型化、轻量化和空间适应性等问题 ， 成功实现了我国星载氢钟的首次在轨应用 。
未来 ， 除了用于导航卫星 ， 氢钟还将用于空间甚长基线干涉测量等科学实验 。
据介绍 ， 尽管氢钟项目不涉及到直接的投资经济回报 ， 但作为北斗导航重大专项的一部分 ， 其带动和促进了航天、新材料和国产电子器件等高新技术的发展 ， 进而在国民经济和国防建设等方面产生了很好的经济效益 。
从2002年启动被动型星载氢钟的研制 ， 到2015年首台星载氢钟上天应用 ， 上海天文台研制团队走过了一段不短的路 。 特别是在早期星载氢钟鉴定产品和正样产品研发的那段日子 ， 每天加班2、3个小时是“家常便饭” ， 仿真分析、试验验证、改进提升、迭代验证 ， 一次次修改 ， 一次次完善 。 “也会有烦躁的时候 ， 但只要有一丁点进展 ， 大家都会兴奋好几天 ， 彼此鼓励着 ， 继续往前走 。 ”
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