原子钟在导航星和空间站的应用

　　20世纪原子钟的最辉煌应用莫过于由它构成全球定位系统的核心。而6年前刚研制成功的冷原子钟,今天又迅速链接至空间应用,成为未来新一代的空间频率基准。这些原子钟,不仅结构紧凑、可靠性高、寿命长,而且具有高性能水平,代表着原子钟的顶尖级应用。

　　一、便携式原子钟

　　自20世纪50年代发明原子钟以来,有三种类别的原子钟以其便携式装置迅速进入工业应用,它们分别是铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟。

　　原子钟是一种以所用原子内部能级跃迁相应辐射频率为参考标准的频率自动控制装置,其实用频率源为压控晶体振荡器(5MHz)。原子钟工作时,该振荡器频率将锁在原子参考标准频率固定的分数值上,如图1所示。

　　经过一代一代的改良,上述三种原子钟结构愈益紧凑,性能水平也有很大的提高。它们各有长处、互相补充。在结构方面,铷钟最小,其最小体积已达0·25L(约相当于6cm见方),铯钟和氢钟次之(1~2个标准机箱大小,体积约25L~50L);在频率稳定度方面,氢钟最好;而在长期频率稳定度和准确度方面,则以铯钟最佳。

　　二、GPS导航星的星载钟

　　GPS是美国导航星全球定位系统的缩写,它从1973年正式开始研制发展(另一全球定位系统为前苏联的GLONASS),如今成为全球应用价值极高、受益面最广的空间信息资源,其最高性能水平如下:实时导航定位准确度优于10m;大地测量事后处理的定位准确度达毫米量级,测速准确度优于0·01m/s,时间传递或时间同步准确度达1ns(1×10-9s)。上述性能水平的实际应用是受美国为GPS制定的可用性选择政策(SA)控制的:它把GPS导航定位区分为精密和普通两个等级,获得授权的军事用户应用精码接收机,可以实现高精度导航定位;民用用户和国外一般用户只能应用粗码接收机得到准确度较低的导航定位信息,在导航星上还配置了进一步降低粗码定位的装置,并在海湾战争后开始启用。该政策的目的是降低他国将GPS信息用于与美国相竞争的高科技研究和军事工程的性能,甚至阻止他们应用。

　　GPS系统由空间部分、地面测控部分和用户设备三大部分组成。空间部分为GPS卫星星座,由24颗导航星组成,均匀配置于6个轨道平面上,地面测控部分由五个地面监测站、三个数据注入站和一个主控站组成。如图2所示。

　　导航星和测控站均装备高性能原子钟作为控制核心。其中星载原子钟的研制和应用,在不断提高和发展。自1974年发射第一颗试验星以来,就不断提高星载钟的性能水平,同时扩展星载钟的类型(铷—铯—氢),研制单位也不断在严格筛选中更迭。

　　由于导航星有一定的工作寿命(10年左右),为维持所需工作的导航星数目,需陆续补充新的导航星。早期阶段,星载钟只由铷原子钟充任,以后加入了铯原子钟,且数量逐渐增加,近期发射的导航星,其星载钟含2个铷钟, 2个铯钟,稍后发射的导航星,则计划使用2个铷钟和1~5个铯钟。使用氢原子钟作为星载钟,正在进一步试验之中。