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【中科院之聲】他們撐起北斗的時(shí)空基準(zhǔn) | 科技自立自強(qiáng)之路

來(lái)源：     時(shí)間：2024-09-26

2020年7月31日
北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通
中國(guó)成為第三個(gè)
獨(dú)立擁有全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家
二十余年間
從技術(shù)攻關(guān)到組網(wǎng)
中國(guó)科學(xué)院在北斗系統(tǒng)精準(zhǔn)定位的核心——
時(shí)空基準(zhǔn)的建立、保持和傳遞技術(shù)中
作出了突出貢獻(xiàn)

2007年
上海微小衛(wèi)星工程中心
（中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院
〈以下簡(jiǎn)稱衛(wèi)星創(chuàng)新院〉前身）
向中國(guó)科學(xué)院請(qǐng)纓參與北斗系統(tǒng)攻關(guān)研究
2009年，北斗三號(hào)工程實(shí)施方案獲批
中國(guó)科學(xué)院任命
時(shí)任載人航天工程應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師林寶軍
為衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師
林寶軍給自己確立的目標(biāo)是
要做出能經(jīng)受住歷史考驗(yàn)
與大國(guó)氣度相當(dāng)?shù)拇髧?guó)重器

為了給衛(wèi)星“瘦身”
林寶軍將原來(lái)十幾個(gè)分系統(tǒng)合并成
電子學(xué)、控制、結(jié)構(gòu)、載荷四大功能鏈
簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
同時(shí)提升了整體可靠性
同時(shí)，在“后墻”不倒的前提下
團(tuán)隊(duì)選用成熟的元器件和工藝路線
確保創(chuàng)新技術(shù)落地
使衛(wèi)星整體技術(shù)領(lǐng)先

2015年3月30日
北斗三號(hào)全球系統(tǒng)首發(fā)試驗(yàn)星成功升空入軌
這也是中國(guó)科學(xué)院抓總研制的
第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星
這顆試驗(yàn)星的新技術(shù)超過(guò)70%
運(yùn)行良好

▲北斗三號(hào)全球系統(tǒng)首發(fā)試驗(yàn)星。衛(wèi)星創(chuàng)新院供圖

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)
包含導(dǎo)航、定位、授時(shí)三大功能
時(shí)間基準(zhǔn)技術(shù)水平直接決定導(dǎo)航定位精度
其中原子鐘被稱為導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”
目前實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星應(yīng)用的
有銣原子鐘（以下簡(jiǎn)稱銣鐘）、
銫原子鐘和氫原子鐘（以下簡(jiǎn)稱氫鐘）
中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院
研究員梅剛?cè)A帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)
從1997年開(kāi)始便扎進(jìn)了星載銣鐘的研究
使我國(guó)星載原子鐘實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的跨越
第一代星載銣鐘滿足了北斗二號(hào)工程建設(shè)需求
2016年，甚高精度銣原子鐘成功通過(guò)驗(yàn)收
無(wú)論是短穩(wěn)還是長(zhǎng)穩(wěn)均超過(guò)了GPS的銣原子鐘

▲銣鐘數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)室工作現(xiàn)場(chǎng)。精密測(cè)量院供圖

星載氫原子鐘
具備頻率穩(wěn)定性好、漂移率小的特點(diǎn)
保證精度的同時(shí)還能提高衛(wèi)星的自主運(yùn)行能力
衛(wèi)星創(chuàng)新院團(tuán)隊(duì)決定采用
“氫鐘+銣鐘+鐘組無(wú)縫切換的時(shí)頻技術(shù)”設(shè)計(jì)
確保當(dāng)某個(gè)原子鐘出現(xiàn)異常時(shí)
導(dǎo)航系統(tǒng)運(yùn)行不會(huì)中斷

衛(wèi)星時(shí)頻系統(tǒng)交給了兩個(gè)年輕人
如今的衛(wèi)星創(chuàng)新院研究員、
北斗三號(hào)衛(wèi)星總設(shè)計(jì)師張軍
以及中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)
（以下簡(jiǎn)稱上海天文臺(tái)）
正高級(jí)工程師帥濤
他們與時(shí)任中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心
（以下簡(jiǎn)稱授時(shí)中心）
時(shí)間頻率測(cè)量與控制研究室主任李孝輝等共同攻關(guān)
在學(xué)科交叉中探索出了一套
擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的
數(shù)字化星載原子時(shí)頻解決方案
實(shí)現(xiàn)了主備原子鐘切換時(shí)
輸出信號(hào)的相位誤差不到五百億分之一秒
滿足了“無(wú)縫切換”的要求

▲北斗三號(hào)導(dǎo)航衛(wèi)星桌面聯(lián)試現(xiàn)場(chǎng)。衛(wèi)星創(chuàng)新院供圖

上海天文臺(tái)是國(guó)內(nèi)首家開(kāi)展氫鐘研制的單位
到北斗三號(hào)工程實(shí)施時(shí)
已開(kāi)發(fā)出第四代地面氫鐘
在研究員林傳富的帶領(lǐng)下
上海天文臺(tái)首次
將電極式微波腔技術(shù)、雙頻電路技術(shù)
應(yīng)用于星載氫鐘的研制
2015年9月
首臺(tái)雙頻被動(dòng)式氫鐘搭載試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)入太空
在軌數(shù)據(jù)表明
核心指標(biāo)優(yōu)于伽利略系統(tǒng)的星載氫鐘

▲上海天文臺(tái)星載氫鐘團(tuán)隊(duì)。上海天文臺(tái)供圖

2015年，授時(shí)中心建成了
第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的地面支持系統(tǒng)
以及我國(guó)第一套全面的、實(shí)時(shí)連續(xù)運(yùn)行的
全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間、
信號(hào)授時(shí)和軌道性能評(píng)估系統(tǒng)
在提高北斗系統(tǒng)時(shí)間的
準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和自主性方面
發(fā)揮了重要作用

衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)好比一把“量天尺”
可用于標(biāo)校北斗的定位、導(dǎo)航等指標(biāo)精度
2019年
可移動(dòng)式激光測(cè)距系統(tǒng)研制完成并通過(guò)驗(yàn)收
其中最大的挑戰(zhàn)是“一鍵式”
只要按下控制鍵
移動(dòng)站就能從密閉的長(zhǎng)方體
變?yōu)榭晒┤诉M(jìn)入并操作的平臺(tái)
上海天文臺(tái)正高級(jí)工程師張忠萍
帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)完成了挑戰(zhàn)
最遠(yuǎn)測(cè)距可達(dá)38800公里
最佳測(cè)距誤差在亞厘米級(jí)

▲激光測(cè)距信號(hào)接收系統(tǒng)安裝調(diào)試。上海天文臺(tái)供圖

要服務(wù)用戶導(dǎo)航、定位、授時(shí)
必須首先計(jì)算出衛(wèi)星的位置和時(shí)間等信息
確定北斗系統(tǒng)的時(shí)空基準(zhǔn)
這項(xiàng)任務(wù)由北斗衛(wèi)星工程
地面運(yùn)控系統(tǒng)主控站下屬的信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
信息處理系統(tǒng)被喻為
北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的“大腦”
上海天文臺(tái)的信息處理系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)
提出了系列新技術(shù)
在地面觀測(cè)網(wǎng)僅有GPS系統(tǒng)1/50的情況下
達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)的性能指標(biāo)
在北斗三號(hào)的空間基準(zhǔn)建立維護(hù)工作中
實(shí)現(xiàn)了與最新版國(guó)際地球參考框架ITRF對(duì)齊

作為“國(guó)家隊(duì)”
中國(guó)科學(xué)院主動(dòng)參與北斗建設(shè)
每位參與的科研人員
都以昂揚(yáng)的斗志投入北斗工程的建設(shè)
他們正在進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)北斗精神
為實(shí)現(xiàn)“2035年前建成
更加泛在、更加融合、更加智能的
國(guó)家綜合定位導(dǎo)航授時(shí)體系”
目標(biāo)而不懈努力


全文請(qǐng)見(jiàn)9月26日《中國(guó)科學(xué)報(bào)》將刊發(fā)的文章

創(chuàng)新，撐起北斗的時(shí)空基準(zhǔn)

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
責(zé)任編輯：劉映含