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摘要：卫星导航都依赖原子钟，因为只有原子钟能够在足够小的体积内实现优于１纳秒的精度。星载原子钟是导航卫星的主要有效载荷，对星载原子钟不仅有精度的要求，还有极高的可靠性和寿命要求。 星载原子钟是北斗导航卫星的最关键载荷之一，是时频分系统的心脏，可为卫星系统提供高稳定的时间频率信号，其性能决定了导航系统定位、测速及授时精度。理论上如果钟的精度提高，导航精度也会改善。 现在原子钟的精度可以达到每１００万年不差１秒。这为天文、航海、宇宙航行、卫星导航等提供了强有力的保障。美中不足的是，原子都有热运动，常温下大概每秒几百米。这使得原子和电磁波的作用时间太短，导致得到的原子钟精度不高，也就到纳秒量级，这就是目前ＧＰＳ和北斗卫星上正在用的原子钟。 卫星导航都依赖原子钟，因为只有原子钟能够在足够小的体积内实现优于１纳秒的精度。但现在的导航卫星，无论是ＧＰＳ还是北斗，都使用普通原子钟，也可以称为热原子钟（相对冷原子钟而言）。 其基本原理是利用特殊原子（例如氢原子、铷原子、铯原子）的某个特定跃迁频率，这个频率有极高的稳定性，精度可以到皮秒甚至飞秒，但原子的这个跃迁频率不能直接用，需要通过电磁波与原子相互作用，间接地用电磁波把这个频率导出来，这是原子钟的基本原理。 星载原子钟是导航卫星的主要有效载荷，对星载原子钟不仅有精度的要求，还有极高的可靠性和寿命要求。长期以来，中国星载原子钟的研制备受海内外业界人士关注。目前发射的北斗导航卫星星载原子钟已经全部实现国产化。在轨测试结果表明，进口钟和国产钟的指标相当。但从世界范围来看，星载原子钟的指标一直在改善，所以星载原子钟的研制是一项长期的任务。 铯原子钟的工作原理每一个原子都有自己的特征振动频率。人们最熟悉的振动频率现象就是当食盐被喷洒到火焰上时食盐中的元素钠所发出的桔红色的光。一个原子具有多种振动频率，一些位于无线电波波段，一些位于可见光波段，而另一些则处在两者之间。铯133则被普遍地选用作原子钟。将铯原子共振子置于原子钟内，需要测量其中一种的跃迁频率。通常是采用锁定晶体振荡器到铯原子的主要微波谐振来实现。这一信号处于无线电的微波频谱范围内，并恰巧与广播卫星的发射频率相似，因此工程师们对制造这一频谱的仪器十分在行。为了制造原子钟，铯原子会被加热至汽化，并通过一个真空管。在这一过程中，首先铯原子气要通过一个用来选择合适的能量状态原子的磁场，然后通过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个很窄的频率范围内震荡，以使得在每一个循环中一些频率点可以达到9,192,631,770Hz。精确的晶体振荡器所产生的微波的频率范围已经接近于这一精确频率。当一个铯原子接收到正确频率的微波能量时，能量状态将会发生相应改变。在更远的真空管的尽头，另一个磁场将那些由于微波场在正确的频率上而已经改变能量状态的铯原子分离出来。在真空管尽头的探测器将打击在其上的铯原子呈比例的显示出，并在处在正确频率的微波场处呈现峰值。这一峰值被用来对产生的晶体振荡器作微小的修正，并使得微波场正好处在正确的频率。这一锁定的频率被9,192,631,770除，得到常见的现实世界需要的每秒一个脉冲。 |
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