導航衛(wèi)星星載氫原子鐘

帥濤　謝勇輝

氫原子鐘是利用氫原子躍遷產(chǎn)生的高穩(wěn)定頻率信號進行計時的一種精密儀器，具有優(yōu)良的頻率穩(wěn)定度，目前已被廣泛應用于射電天文觀測、高精度時間計量、衛(wèi)星地面站守時等領域。出于航天技術發(fā)展的需要，歐洲、俄羅斯和中國都在積極發(fā)展星載氫原子鐘技術，為精密空間時間基準提供技術支撐。

2015年9月30日，我國首臺星載氫原子鐘搭載第4顆新一代北斗導航衛(wèi)星順利升空，目前在軌運行情況良好。與北斗一期的星載銣鐘相比，星載氫鐘的應用使得導航衛(wèi)星時間基準性能得到大幅提升，為我國北斗系統(tǒng)精密定位及自主導航性能的提升奠定了技術基礎。

原子鐘及星載原子鐘

根據(jù)量子力學原理，原子具有不連續(xù)的能量值，當原子從一個能級躍遷至另一個能級時，所吸收或釋放的電磁波頻率是固定的。原子鐘就是利用原子躍遷產(chǎn)生的固定頻率電磁波進行計時的儀器。

1930年代，哥倫比亞大學拉比（I.I.Rabi）和他的學生在研究原子及原子核的基本性質時揭示了利用量子躍遷實現(xiàn)頻率控制的可能性。1955年，英國國家物理實驗室（National Physical Laboratory）研制成功世界上第一臺銫束原子頻率標準裝置，與此同時，扎卡賴亞斯（J.R.Zacharias）在美國馬薩諸塞理工學院研制成功實用型銫原子鐘，并于1956年開始商業(yè)化生產(chǎn)。后來在眾多科研人員的努力下，逐步完成了銣鐘和氫鐘的研制，從此進入實用型原子鐘的應用時代。隨著激光冷卻、離子囚禁和激光技術的發(fā)展，噴泉鐘、離子鐘、光鐘等新一代原子鐘也成為研究熱點。

原子鐘的出現(xiàn)是人類計時史上的一次革命，它使時間計量標準從來自于傳統(tǒng)天文學的宏觀領域過渡到源于物理學的微觀領域。目前的協(xié)調(diào)世界時（UTC）是由分布于全世界20多個國家實驗室的原子鐘相互比對產(chǎn)生的原子時與天文時綜合協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的。除時間計量外，原子鐘還廣泛應用于天文觀察、衛(wèi)星地面站、移動基站等領域，為其提供時間或頻率基準。

隨著航天技術的發(fā)展，原子鐘的應用逐步從地面走向太空。上天應用的原子鐘可分為空間原子鐘和星載原子鐘兩種?？臻g原子鐘一般用于低軌的空間站進行空間科學試驗，空間站對原子鐘精度要求高，對其壽命、重量和功耗等要求較低。空間原子鐘多為新型原子鐘，如歐洲空間局的ACES空間冷銫原子鐘，中國科學院上海光機所的空間激光冷卻銣原子鐘等。星載原子鐘一般配置于對時間精度有特定需求的應用衛(wèi)星，由于衛(wèi)星功能密度高，服務時間長的特點，通常要求所配置的原子鐘重量輕、功耗小、可靠性高、穩(wěn)定性好。國外的星載原子鐘有星載銣鐘、星載銫鐘和星載氫鐘等多種類型，這類原子鐘均是地面應用廣泛的傳統(tǒng)原子鐘經(jīng)工程化改造后實現(xiàn)上天應用的。另外，美國噴氣推進實驗室（Jet Propulsion Laboratory）近期完成了星載微波汞離子鐘研制，該原子鐘的上天應用是星載原子鐘的新進展。目前，我國已經(jīng)上天應用的星載原子鐘有銣原子鐘和氫原子鐘兩類，前者由中國科學院武漢物理與數(shù)學研究所，中國航天科技集團公司第五研究院西安分院，中國航天科工集團第二研究院203所共同研制；后者由中國科學院上海天文臺和中國航天科工集團第二研究院203所共同研制。

衛(wèi)星導航和衛(wèi)星時間

導航衛(wèi)星是星載原子鐘的主要應用平臺，從一定程度上講，正是由于在導航衛(wèi)星上廣泛的應用才促進了星載原子鐘技術的快速發(fā)展。

目前全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)主要有美國的GPS導航系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS導航系統(tǒng)、歐洲的伽利略導航系統(tǒng)和中國的北斗導航系統(tǒng)。四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基本原理為，用戶終端通過測量空間的四顆及以上衛(wèi)星的信號到用戶終端的距離來計算本地坐標，從而進行定位。由天上的衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，攜帶有衛(wèi)星時間和位置，經(jīng)2萬至3萬公里的距離到達地面后，由地面終端接收，通過提取衛(wèi)星信號時間，并將其與本地時間進行求差，可得到信號的傳播時間，將該傳播時間乘上光速即可得到衛(wèi)星和地面間距離。由于光速非常高，要精確定位，就要求對時間的測量精度非常高，比如時間測量誤差為10納秒時，對應的空間距離誤差就達到3米。日常活動中對定位的要求基本在數(shù)米左右，這就需要空間的衛(wèi)星具有良好的時間保持能力，各個衛(wèi)星之間的時間差需要保持在數(shù)納秒以內(nèi)。

為了達到這樣的精度，人們對導航衛(wèi)星配置的時鐘單元進行了持續(xù)的改進和發(fā)展。1960和1970年代，美國的導航技術驗證：僅用恒溫晶振，衛(wèi)星的時間保持能力為每天數(shù)微秒，定位精度差。其后，隨著星載銣鐘和星載銫鐘的成功研制及應用，導航衛(wèi)星的時間保持能力達到了每天數(shù)十納秒至數(shù)納秒，系統(tǒng)的定位性能也逐步進入十米。

傳統(tǒng)類型的銣鐘、氫鐘和銫鐘，頻率穩(wěn)定性和時間保持能力各有差異。銣鐘具有良好的短期穩(wěn)定性，在從秒至小時的時間段內(nèi)均能維持納秒以內(nèi)的時間精度。在導航衛(wèi)星應用中，若每小時進行衛(wèi)星鐘差預報模型更新，則僅用銣鐘即可實現(xiàn)良好的定位精度。銫鐘具有最好的長期穩(wěn)定性，數(shù)天甚至十天以上不進行鐘差預報模型更新，銫鐘也可以維持十納秒以內(nèi)的時間精度。而氫鐘具有最好的短期穩(wěn)定性和中長期穩(wěn)定性，在從秒至天的時間段內(nèi)均可保證時間精度維持在納秒以內(nèi)。導航衛(wèi)星除了部分為靜止軌道衛(wèi)星外，大部分均為軌道高度2萬公里的中軌衛(wèi)星，其周期為12小時，若配置氫鐘則可以實現(xiàn)每天僅進行1～2次衛(wèi)星鐘差更新，這將大大簡化地面系統(tǒng)的操作流程。

和銣鐘及銫鐘相比，氫鐘設計相對復雜，航天工程化難度也較高。早期的GPS導航系統(tǒng)也曾計劃配置氫鐘，后因工程樣機模型未通過地面試驗而取消。歐洲伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為后起之秀，在其第2顆試驗衛(wèi)星上搭載了1臺星載氫鐘，并于2008年成功發(fā)射，實現(xiàn)了最好的導航時間性能。目前伽利略衛(wèi)星導航系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星配置2臺銣鐘和2臺氫鐘，已有十余臺氫鐘在軌運行。俄羅斯GLONASS導航系統(tǒng)早期配置了銫鐘和銣鐘，近年來隨著其氫原子鐘工程化取得突破，氫鐘將代替原有的銫鐘配置于Glonass-K衛(wèi)星，并預計在近期實現(xiàn)首飛。中國的北斗局域系統(tǒng)在2012年建設完成，由于衛(wèi)星僅覆蓋中國及周邊，故僅通過配置銣鐘即實現(xiàn)了預期的定位目標。北斗全球系統(tǒng)配置星載氫鐘進行在軌試驗，驗證了我國自行研制的氫鐘的工程可行性和在軌性能，在后續(xù)的全球衛(wèi)星系統(tǒng)建設中，星載氫鐘的應用也將改善非靜止軌道衛(wèi)星長時間星歷預報精度。

星載氫鐘機理及組成簡介

氫原子由原子核和一個價電子組成，基態(tài)電子總角動量為1/2，核自旋為1/2，因此，氫原子基態(tài)有兩個超精細能級F₁=0和F₂=1。在外加磁場中，F(xiàn)₂=1的能級分裂為m_F=±1，0三個超精細磁能級，而F₁=0的能級仍為一個。在氫原子振蕩器中采用的躍遷為σ躍遷（F=1，m_F=0）<=>（F=0，m_F=0），相應的頻率為1420.405751兆赫，由于該頻率較高，不便于作為頻率基準，實現(xiàn)時通常采用鎖相或鎖頻電路將石英晶振輸出的5兆赫或10兆赫頻率鎖定到該頻率上，從而得到高精度的頻率信號。

氫原子鐘依其工作機理可以分為兩種類型，即主動型和被動型。其中主動型氫鐘體積較大，可實現(xiàn)自主原子躍遷；被動型氫鐘體積較小，需在探測信號的激勵下才能發(fā)生原子躍遷。為了適應衛(wèi)星搭載需求，星載氫鐘采用了被動型氫鐘技術，通過鎖頻環(huán)路實現(xiàn)10兆赫晶振頻率鎖定至原子躍遷頻率，整機由物理部分和電路部分組成。

星載氫鐘物理部分由腔泡系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、原子置備系統(tǒng)、磁屏蔽系統(tǒng)，以及準直和選態(tài)系統(tǒng)等組成。其中腔泡系統(tǒng)包括微波諧振腔、原子儲存泡、變?nèi)荻O管、C場線圈、加熱線圈、微波耦合環(huán)及支撐結構；真空系統(tǒng)包括真空吸附泵、離子泵以及支撐和密封結構；原子置備系統(tǒng)包括氫瓶、鎳管提純器、電離源、準直器和磁選態(tài)器；磁屏蔽系統(tǒng)由各層磁屏蔽及其支撐結構組成。

電路部分主要由主電子學電路和輔助電子學電路組成。主電路部分包括恒溫壓控晶振、檢波電路、隔離放大電路、上變頻電路、數(shù)字伺服及頻綜電路；輔助電路部分包括恒溫電路、高壓電源和恒流源。

星載氫鐘物理部分儲存約40升氫氣，在經(jīng)鎳提純器提純后，氫氣在電離泡中電離成原子狀態(tài)。經(jīng)準直和選態(tài)系統(tǒng)，基態(tài)高能級的氫原子射入微波諧振腔中的儲存泡，將適當頻率的微波信號注入微波諧振腔，使腔內(nèi)產(chǎn)生微波諧振，這樣原子在儲存泡中就能發(fā)生受激輻射，使腔內(nèi)微波能量增加。通過檢測微波諧振腔內(nèi)的微波能量，可以將電路系統(tǒng)輸出的微波信號鎖定在原子躍遷譜線上，從而得到具有高穩(wěn)定度和高準確度的輸出信號。此過程需要通過真空系統(tǒng)維持高真空度，磁屏蔽系統(tǒng)屏蔽外部的磁場干擾。

星載氫鐘電路部分主要包括兩個鎖定環(huán)路：原子躍遷鎖定環(huán)路和微波腔伺服控制環(huán)路，其主要功能是，將晶振頻率鎖定至原子躍遷頻率，將微波腔頻率鎖定至晶振頻率。單頻調(diào)制電路是目前普遍采用的方法，把一個共用調(diào)制頻率信號注入微波腔，利用原子的吸收和色散分離出晶振和腔體兩部分誤差信號，通過比較誤差信號對晶振和微波腔進行鎖定。

為了能夠保證被動型氫原子鐘長期穩(wěn)定工作，還需要由輔助電子學系統(tǒng)來確保物理部分保持穩(wěn)定的狀態(tài)。輔助電子學系統(tǒng)中，恒流源作用于鎳提存器，保證穩(wěn)定的氫氣進入系統(tǒng)；恒溫電路用以維持物理部分微波腔的溫度穩(wěn)定，從而保證儲存泡內(nèi)氫原子維持恒定的飛行速率；高壓電源作用于鈦離子泵，實現(xiàn)對真空部分惰性氣體、二氧化碳等的吸收。

導航衛(wèi)星星載氫鐘設計技術特點

導航衛(wèi)星時間由星上原子鐘維持，原子鐘長期穩(wěn)定性越好，時間模型更新周期越長。假定頻率穩(wěn)定度指標達到每天10^-14，則對應的原子鐘時間變化就小于每天1納秒，折算為電磁波的距離則是0.3米。此時，即使每天進行一次星上時間更新，也可以滿足導航定位需求。若天穩(wěn)定度降低，在保證相同的時間誤差基礎上，就需要提高星歷模型的更新頻率，如8小時或2小時更新一次。星載氫鐘的設計以天穩(wěn)定性為核心指標開展優(yōu)化工作，以降低對衛(wèi)星的監(jiān)測和操作需求，適用于中地球軌道（medium Earth orbit，MEO）和傾斜地球同步軌道（inclined geosynchronous satelliteorbit，IGSO）等導航衛(wèi)星。

為了適應衛(wèi)星的發(fā)射及在軌應用，星載氫鐘在設計上與地面原子鐘有較大差異。衛(wèi)星發(fā)射過程中火箭產(chǎn)生的加速度和振動以及衛(wèi)星和火箭分離時的沖擊等力學特性都將作用在星載氫鐘上。為了防止氫鐘在發(fā)射過程中毀壞，星載氫鐘在設計時就必須考慮力學加固措施。選擇力學性能優(yōu)良的材料和元器件，優(yōu)化產(chǎn)品布局和結構設計，并通過仿真分析和試驗驗證進行反復迭代，直至在地面10倍重力加速度以上的振動和1000倍重力加速度以上的沖擊試驗下不發(fā)生損傷才能進入正樣產(chǎn)品的研制階段。

星載氫鐘在軌運行過程中，設備整體處于真空環(huán)境，與地面主要靠空氣對流進行散熱不同，氫鐘在星上的散熱主要靠傳導。大功率元器件的外表面需要直接與金屬接觸，將熱傳導至氫鐘殼體，再通過衛(wèi)星散熱面輻射至太空。因為物理部分需要維持在恒定溫度，所以熱設計需要同時考慮散熱和控溫，以確保其內(nèi)核微波腔部分的溫度變化小于0.02℃/天。此外，星載氫鐘通過使用多層鍍鋁聚酯膜外套來降低星內(nèi)其他單機的熱輻射影響。

空間軌道上高能粒子、質子和電子的輻射環(huán)境是航天設備制造面臨的最大考驗之一?？臻g輻射的單粒子效應、總劑量效應常會導致電子部件出現(xiàn)錯誤、工作中斷甚至燒毀。星載氫鐘作為時間基準設備，若出現(xiàn)中斷，則會直接影響導航衛(wèi)星下發(fā)信號的時間特性，導致定位結果不可用。因此，氫鐘對于抗輻射的要求也高，在氫鐘設計階段就需要針對各種輻射效應采取有效措施，包括選用高等級抗輻射器件，對數(shù)字電路進行錯誤檢測與冗余糾錯，核心部件電流監(jiān)測或限流等措施。通過這些措施，可以最大限度地降低輻射影響，在輻射效應產(chǎn)生時，可實現(xiàn)錯誤不累積，器件不損壞。對于氫鐘的關鍵部件，還需要通過地面輻照試驗檢驗其抗輻射設計的可靠性。

此外，作為衛(wèi)星配置的眾多單機之一，星載氫鐘需要實現(xiàn)與衛(wèi)星良好的電磁兼容，即氫鐘輻射或傳導的電磁信號不能影響到衛(wèi)星，衛(wèi)星的電磁信號也不能影響到氫鐘。氫鐘對電磁波、磁場、電源穩(wěn)定性等要求很高，除了依據(jù)規(guī)范進行設計外，還需要與衛(wèi)星平臺進行多次聯(lián)試，有針對性地采用屏蔽、濾波等措施，甚至和衛(wèi)星平臺進行聯(lián)合設計，以實現(xiàn)氫鐘在軌輸出信號的穩(wěn)定性不受影響。

星載氫鐘的應用展望

被動型星載氫鐘，大小適中，中長期穩(wěn)定性好，漂移好，符合導航衛(wèi)星的應用需求。隨著越來越多的氫鐘隨導航衛(wèi)星上天，導航系統(tǒng)的定位精度和自主運行性能將獲益。除了導航衛(wèi)星，通信衛(wèi)星、偵察衛(wèi)星也可通過配置氫鐘來提供頻率基準，提高相干通信性能或相干測量精度。因為這些衛(wèi)星功能密度高，多采用小型化衛(wèi)星平臺，所以需要被動型氫鐘的體積、重量、功耗等參數(shù)進一步降低。

在科學試驗方面，用于天文觀察的毫米波空間甚長基線干涉測量（very long baselineinterferometry，VLBI）衛(wèi)星對秒至百秒時間段的穩(wěn)定性要求極高，需要配置空間主動型氫鐘才能滿足觀察要求。此外，空間主動型氫鐘還可以配合空間冷原子鐘來提供頻率基準，用于時間基準試驗及空間授時。

可以預見，在不久的將來，將有越來越多的星載氫鐘應用于航天領域，助推航天技術的發(fā)展。

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