吴小莉专访“北斗”卫星总师：星载原子钟，“我不会买你的了”

Original 问答神州问答神州

欢迎你关注问答神州

问答

Q&A

神州

2020.06.26

北斗卫星成功组网，时间精度是卫星导航的命门。天地间时间越同步、误差越小，定位的精度就越高。有“导航卫星心脏”之称的星载原子钟就发挥着提供时间基准的作用。那么，原子钟是什么？为何重要？中国又在原子钟的研发上取得了哪些成绩？2018年，“北斗”三号工程副总设计师、卫星首席总设计师谢军在接受吴小莉专访时，向我们介绍了北斗三步工程中，发展原子钟所遇的重重困难和技术攻关。

什么是原子钟？

导航的核心是时间测量。在由导航卫星搭建的星地坐标系中，每个星座都有自己的坐标信息，通过测量我们与星座间的距离，就能解算出我们在该坐标系的位置。在信号传播速度（光速）已知的前提下，时间测量越精密，位置解算就越精确。

在卫星导航系统中，1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差将导致0.3米的距离误差。要实现如此精密的时间测量，只有原子钟能做到。原子钟是通过原子这一微小量子构件，实现普通钟表一般的“嘀嗒”声。不同的是，这种“嘀嗒”更均匀，表现为一种电磁波形式，通常听不见，只有通过微波信号处理技术才能输出。

如果把原子量子构件比作大绳，当我们往里注入一个电磁波，让电磁波与原子二能级发生共振，就能将产生电磁波的振荡器锁定到原子二能级跃迁频率上。振荡器输出高精度频率信号，即可实现精密时间测量。目前导航卫星中普遍应用的氢、铷、铯原子钟，都是基于这一工作原理。

中国的原子钟

北斗三号卫星上配置的新一代国产原子钟，其精度比此前北斗二号上的原子钟要高出了一个数量级，据称300万年只有1秒的误差。

吴小莉：导航卫星上面，原子钟也是一个命门。

谢军：对，原子钟是非常非常关键的。如果原子钟不准，整个时空基准就谈不上了。北斗一号我们用的原子钟是买美国的。然后到北斗二号，我们就开始跟欧洲谈，当时欧洲自己的原子钟也没入轨、也没经过验证。

吴小莉：那我们拿回来后来使用了吗？使用的结果如何？

谢军：技术公开这个事儿我自己也知道，根本你就不要想谈这个事情。包括我们希望它能够给我达到一些特别关键的指标的时候，他都说我只能达到这个指标而已，再高的我就要对你进行技术封锁了，所以基本上作为技术转让什么的，就不要想了。成品给我们也不行。

从今天来看的话，即使我们要更高指标的产品，实际上当时它也没有，也做不出来。2007年，我们发我们第一颗导航卫星的时候，实际上我们用的四个铷原子钟，全部都是用我们国家自己的。但是2010年我们发射导航卫星的时候，我们有部分的用了它的原子钟。

谢军：但同时我们自己也启动了自主研发原子钟的技术。我们国家从“八五”期间，实际上地面原子钟就有一些很好的基础。但是地面的原子钟要搬到星上，面临的问题非常非常多：一个是，原子钟体积和重量一定不能做得特别大；另一个，它所需的各项指标也不比地面的低。太空间的这种辐照、热环境、力学环境都很复杂。在北斗二号当初立项的时候，基于我们国家星载原子钟的基础，我们还是决定买一部分国外的原子钟，自主研发一部分原子钟。

吴小莉：那么北斗三号呢？

谢军：从北斗三号开始，我们就全部用的都是自己的铷原子钟。基于我们对欧洲这个公司产品的了解，2015年在西安开导航年会的时候，这个公司的老板开玩笑跟我说，你以后再买我原子钟，我说我不会买你的了，除非你的原子钟要比我的原子钟要好两个数量级，价钱比我的低一倍才行。

我们在北斗三号里，基于整个卫星导航技术的发展，和我们国家氢原子钟技术的水平，我们现在还采用了氢原子钟。氢原子钟就相对于铷原子钟来讲，它的个头体积大一些，但是它的电性能指标更高、更好。

为了提高服务的精度及卫星在轨服务的可靠性，北斗三号卫星还采取了多项可靠性措施，使卫星的设计寿命达到12年，达到国际导航卫星的先进水平，这为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。

更多精彩，关注《问答神州》特别节目

《入得光芒北斗人》

问答北斗三号工程副总设计师、卫星首席总设计师谢军