他们撑起北斗的时空基准 | 科技自立自强之路

文摘 2024-09-25 19:26 上海

2020年7月31日

北斗三号全球卫星导航系统正式开通

中国成为第三个

独立拥有全球卫星导航系统的国家

二十余年间

从技术攻关到组网

中国科学院在北斗系统精准定位的核心——

时空基准的建立、保持和传递技术中

作出了突出贡献

2007年

上海微小卫星工程中心

（中国科学院微小卫星创新研究院

〈以下简称卫星创新院〉前身）

向中国科学院请缨参与北斗系统攻关研究

2009年，北斗三号工程实施方案获批

中国科学院任命

时任载人航天工程应用系统副总设计师林宝军

为卫星总设计师

林宝军给自己确立的目标是

要做出能经受住历史考验

与大国气度相当的大国重器

为了给卫星“瘦身”

林宝军将原来十几个分系统合并成

电子学、控制、结构、载荷四大功能链

简化了系统结构

同时提升了整体可靠性

同时，在“后墙”不倒的前提下

团队选用成熟的元器件和工艺路线

确保创新技术落地

使卫星整体技术领先

2015年3月30日

北斗三号全球系统首发试验星成功升空入轨

这也是中国科学院抓总研制的

第一颗北斗导航卫星

这颗试验星的新技术超过70%

运行良好

▲北斗三号全球系统首发试验星。卫星创新院供图

全球卫星导航系统

包含导航、定位、授时三大功能

时间基准技术水平直接决定导航定位精度

其中原子钟被称为导航卫星的“心脏”

目前实现导航卫星应用的

有铷原子钟（以下简称铷钟）、

铯原子钟和氢原子钟（以下简称氢钟）

中国科学院精密测量科学与技术创新研究院

研究员梅刚华带领团队

从1997年开始便扎进了星载铷钟的研究

使我国星载原子钟实现从无到有的跨越

第一代星载铷钟满足了北斗二号工程建设需求

2016年，甚高精度铷原子钟成功通过验收

无论是短稳还是长稳均超过了GPS的铷原子钟

▲铷钟数据监测室工作现场。精密测量院供图

星载氢原子钟

具备频率稳定性好、漂移率小的特点

保证精度的同时还能提高卫星的自主运行能力

卫星创新院团队决定采用

“氢钟+铷钟+钟组无缝切换的时频技术”设计

确保当某个原子钟出现异常时

导航系统运行不会中断

卫星时频系统交给了两个年轻人

如今的卫星创新院研究员、

北斗三号卫星总设计师张军

以及中国科学院上海天文台

（以下简称上海天文台）

正高级工程师帅涛

他们与时任中国科学院国家授时中心

（以下简称授时中心）

时间频率测量与控制研究室主任李孝辉等共同攻关

在学科交叉中探索出了一套

拥有自主知识产权的

数字化星载原子时频解决方案

实现了主备原子钟切换时

输出信号的相位误差不到五百亿分之一秒

满足了“无缝切换”的要求

▲北斗三号导航卫星桌面联试现场。卫星创新院供图

上海天文台是国内首家开展氢钟研制的单位

到北斗三号工程实施时

已开发出第四代地面氢钟

在研究员林传富的带领下

上海天文台首次

将电极式微波腔技术、双频电路技术

应用于星载氢钟的研制

2015年9月

首台双频被动式氢钟搭载试验卫星进入太空

在轨数据表明

核心指标优于伽利略系统的星载氢钟

▲上海天文台星载氢钟团队。上海天文台供图

2015年，授时中心建成了

第一颗北斗导航卫星的地面支持系统

以及我国第一套全面的、实时连续运行的

全球卫星导航系统时间、

信号授时和轨道性能评估系统

在提高北斗系统时间的

准确性、稳定性和自主性方面

发挥了重要作用

卫星激光测距系统好比一把“量天尺”

可用于标校北斗的定位、导航等指标精度

2019年

可移动式激光测距系统研制完成并通过验收

其中最大的挑战是“一键式”

只要按下控制键

移动站就能从密闭的长方体

变为可供人进入并操作的平台

上海天文台正高级工程师张忠萍

带领团队完成了挑战

最远测距可达38800公里

最佳测距误差在亚厘米级

▲激光测距信号接收系统安装调试。上海天文台供图

要服务用户导航、定位、授时

必须首先计算出卫星的位置和时间等信息

确定北斗系统的时空基准

这项任务由北斗卫星工程

地面运控系统主控站下属的信息系统实现

信息处理系统被喻为

北斗导航系统的“大脑”

上海天文台的信息处理系统团队

提出了系列新技术

在地面观测网仅有GPS系统1/50的情况下

达到了国际先进的性能指标

在北斗三号的空间基准建立维护工作中

实现了与最新版国际地球参考框架ITRF对齐

作为“国家队”

中国科学院主动参与北斗建设

每位参与的科研人员

都以昂扬的斗志投入北斗工程的建设

他们正在进一步发扬北斗精神

为实现“2035年前建成

更加泛在、更加融合、更加智能的

国家综合定位导航授时体系”

目标而不懈努力

全文请见9月26日《中国科学报》将刊发的文章

创新，撑起北斗的时空基准

来源|中科院之声

中国科学院上海分院

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