兩千萬(wàn)年誤差一秒，北斗的國(guó)產(chǎn)核心器件有多強(qiáng)？！

（電子發(fā)燒友報(bào)道 文/周凱揚(yáng)）8月3日，北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開(kāi)通。近10年來(lái)，我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與定位服務(wù)的總產(chǎn)值的年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到20%以上，2019年達(dá)到了3450億元，而今年有望突破4000億元大關(guān)。專(zhuān)為北斗導(dǎo)航服務(wù)的28nm SoC芯片也已量產(chǎn)，22nm工藝的芯片量產(chǎn)也即將被提上日程。

北斗三號(hào)最后一顆全球組網(wǎng)衛(wèi)星成功發(fā)射 / 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航

中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其稱(chēng)通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，北斗三號(hào)衛(wèi)星已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了核心器部件國(guó)產(chǎn)化率100%，這其中就包含了星載氫原子鐘和銣原子鐘。

原子鐘

人們?nèi)粘Ｊ褂玫溺姳砻磕甓紩?huì)產(chǎn)生1分鐘左右的誤差，對(duì)于嚴(yán)苛的生產(chǎn)和科研環(huán)境，普通的計(jì)時(shí)工具再也無(wú)法滿(mǎn)足人們的需求，原子鐘也因此應(yīng)運(yùn)而生。原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波計(jì)時(shí)，因?yàn)樵撾姶挪ǖ姆€(wěn)定性，加之精密儀器的控制，其精度可至每2000萬(wàn)年誤差1秒。

不同原子鐘的穩(wěn)定性對(duì)比

目前常用的原子鐘元素有氫、銫和銣。從頻率穩(wěn)定性上來(lái)比較，銫鐘優(yōu)于銣鐘，而氫鐘的穩(wěn)定性最高，但追求穩(wěn)定性往往意味著需要付出能耗、體積以及老化的代價(jià)。

作為高精度且穩(wěn)定的計(jì)時(shí)工具，原子鐘常用于電臺(tái)、廣播與網(wǎng)絡(luò)的報(bào)時(shí)服務(wù)，國(guó)際時(shí)區(qū)的調(diào)整以及作為儀器校準(zhǔn)的外部時(shí)基，但近年來(lái)用途更為廣泛的功能，還是提高全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度。

備戰(zhàn)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最關(guān)鍵的一大功能就是測(cè)距，其原理是通過(guò)測(cè)量電磁波的傳播時(shí)間來(lái)計(jì)算距離，但由于電磁波以光速傳播，準(zhǔn)確測(cè)量就需要極其精確的計(jì)時(shí)設(shè)備，哪怕存在1納秒的時(shí)間誤差，測(cè)量距離都會(huì)出現(xiàn)0.3米的偏差。而太空環(huán)境下對(duì)穩(wěn)定性的要求更高，因此原子鐘自然成了不二之選。

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概況 / 電子發(fā)燒友網(wǎng)整理

目前全球主導(dǎo)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有美國(guó)的GPS（全球定位系統(tǒng)）、俄羅斯的GLONASS（格洛納斯）、歐盟的GALILEO（伽利略）以及中國(guó)的北斗。這四大系統(tǒng)中，GPS的每顆衛(wèi)星至少包含兩個(gè)銫原子鐘和兩個(gè)銣原子鐘；歐盟的伽利略導(dǎo)航則采用了銣原子鐘和被動(dòng)型氫原子鐘結(jié)合的方案，每顆衛(wèi)星搭載兩個(gè)被動(dòng)式氫原子鐘和兩個(gè)銣原子鐘。

伽利略所用被動(dòng)型氫原子鐘 / Galileo

中國(guó)建立自研的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的路途可謂曲折，2000年到2003年，我國(guó)陸續(xù)發(fā)射了三顆實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。03年間，中國(guó)加入了歐盟的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)項(xiàng)目，并投資了2.3億歐元，但自06年起，歐盟聯(lián)合美國(guó)開(kāi)始排擠中國(guó)對(duì)該計(jì)劃的參與，中國(guó)只好將精力重新轉(zhuǎn)回到北斗系統(tǒng)上來(lái)。

為了與同步開(kāi)發(fā)的伽利略競(jìng)爭(zhēng)衛(wèi)星導(dǎo)航的頻率資源，07年升空的北斗二號(hào)首發(fā)星第一次搭載了國(guó)產(chǎn)化的銣鐘。2012年后的北斗二號(hào)衛(wèi)星中，國(guó)產(chǎn)銣原子鐘也實(shí)現(xiàn)了全面替代。北斗三號(hào)的星載氫原子鐘由中科院上海天文臺(tái)研制，據(jù)地面測(cè)試來(lái)看，與伽利略衛(wèi)星的星載氫鐘性能相當(dāng)，但在軌表現(xiàn)上，我國(guó)的星載氫鐘在用戶(hù)測(cè)距上的誤差上更小，其長(zhǎng)期預(yù)報(bào)精度高出星載銣鐘一個(gè)量級(jí)以上。

說(shuō)完了國(guó)家級(jí)別的原子鐘，我們不妨來(lái)看看商用級(jí)別的原子鐘詳細(xì)性能如何。

Microchip

SA.45s 太空級(jí)芯片原子鐘（1.6” x 1.39” x 0.45”） / Microchip

Symmetricom是一家老牌原子鐘廠商，其產(chǎn)品涵蓋氫鐘、銣鐘和銫鐘，以及微型原子鐘和芯片級(jí)原子鐘，同時(shí)也是全球供應(yīng)商用銫鐘的僅有兩家廠商之一，另一家是瑞士的Oscilloquartz。Symmetricom于2013年被Microsemi收購(gòu)，后者又在2018年被Microchip收購(gòu)。上圖是SA.45s，一款太空級(jí)的芯片原子鐘，其面積大小和一枚硬幣相差無(wú)幾。但物理尺寸不是該原子鐘的唯一優(yōu)勢(shì)，SA.45s的功耗低于120mW，耐受20krad的輻射，短期穩(wěn)定性可達(dá)3.0 x 10-10，長(zhǎng)期老化率小于9x10-10/月?；谄涑叽?、質(zhì)量和性能上的優(yōu)勢(shì)，配以較低的成本，該原子鐘非常適合近地軌道（LEO）的商用衛(wèi)星應(yīng)用。

MHM 2020主動(dòng)型氫鐘 / Microchip

被動(dòng)型氫鐘主要靠外部提供的1.420GHz頻率使微波腔體振蕩，而在主動(dòng)型氫鐘中，主要靠微波腔體自身的振蕩，這就需要更高的氫原子密度和更高的微波腔Q值，因此主動(dòng)型氫鐘也更昂貴，單價(jià)往往在20萬(wàn)美元以上。但主動(dòng)型氫鐘具有更好的短期和長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定性，就拿Microchip的MHM 2020來(lái)說(shuō)，該主動(dòng)型氫鐘是對(duì)MHM2010產(chǎn)品的重新設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)3x10-16的日漂移率，適合甚長(zhǎng)基線(xiàn)干涉測(cè)量（VLBI）等應(yīng)用，從而輔助探測(cè)衛(wèi)星任務(wù)和天文觀測(cè)。

KVARZ

CH1-95主動(dòng)型氫原子鐘 / KVARZ

KVARZ是俄羅斯最大的無(wú)線(xiàn)電電子測(cè)量?jī)x器的開(kāi)發(fā)和制造商，CH1-95是該公司最新推出的主動(dòng)型氫原子鐘。該氫鐘的頻率精度可至±5x10-13/年，日漂移率小于5x10-16，頻率的溫度系數(shù)為±1.5x10-15/℃。該產(chǎn)品可用于頻率參考源，全球定位/衛(wèi)星導(dǎo)航（GPS/GNSS），深空追蹤，甚長(zhǎng)基線(xiàn)的干涉測(cè)量和陣列（VLBI/VLBA）等場(chǎng)景，KVARZ稱(chēng)本產(chǎn)品已經(jīng)交付給多個(gè)國(guó)家的大學(xué)、天文臺(tái)和計(jì)量中心。

上海天文臺(tái)

上海天文臺(tái)研制的地面主動(dòng)型氫原子鐘已經(jīng)在北斗的地面系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。經(jīng)歷研發(fā)人員多年的技術(shù)攻關(guān)后，首創(chuàng)了氫原子鐘的時(shí)分雙屏調(diào)制技術(shù)，降低了輸出頻率對(duì)糾偏信號(hào)幅相變化的敏感性，使原子鐘的核心性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際水準(zhǔn)。不僅如此，該氫原子鐘首度應(yīng)用了電極式微波腔，有效提高微波腔Q值和原子躍遷信號(hào)強(qiáng)度。同時(shí)上海天文臺(tái)的被動(dòng)型星載氫原子鐘在北斗系統(tǒng)中作為主鐘使用，在軌天穩(wěn)定度和漂移指標(biāo)達(dá)到了小系數(shù)E-15量級(jí)，在保證性能的同時(shí)，新一代氫鐘從初代的24公斤減重至13公斤，同時(shí)降低了10%的功耗。

天奧電子

除了中科院上海天文臺(tái)和武漢物數(shù)所研制的國(guó)家級(jí)原子鐘外，成都天奧電子也在研發(fā)自己的銣原子鐘、銫原子鐘和CPT原子鐘，主打產(chǎn)品為高精度的銫原子鐘。2018年第二十屆中國(guó)國(guó)際工業(yè)博覽會(huì)上，天奧電子展示了我國(guó)自研的首臺(tái)銫原子鐘TA1000，并指出這也是郭繼山第一臺(tái)激光小型銫原子鐘。在回答投資者提問(wèn)時(shí)，天奧電子還提到北斗三號(hào)也應(yīng)用了該公司的原子鐘。

小結(jié)
全球?qū)Ш竭€不是原子鐘的最大潛力，中國(guó)國(guó)家宇航局和NASA現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始展望應(yīng)用于深空探索的原子鐘部署，幫助太空任務(wù)更好實(shí)現(xiàn)定位和著陸。從原子鐘的開(kāi)發(fā)進(jìn)度和成果來(lái)看，我國(guó)依然維持在世界領(lǐng)先水準(zhǔn)，但我們?nèi)孕枰吹礁嗟纳虡I(yè)運(yùn)用場(chǎng)景，隨著未來(lái)政策和技術(shù)進(jìn)一步開(kāi)放，相信國(guó)內(nèi)也能涌現(xiàn)SpaceX這樣的太空探索技術(shù)公司。

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