兩千萬年誤差一秒，北斗的國產(chǎn)核心器件有多強？

作者|周凱揚 來源|電子發(fā)燒友網(wǎng)(ID：elecfans)

8月3日，北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通。近10年來，我國衛(wèi)星導航與定位服務的總產(chǎn)值的年復合增長率達到20%以上，2019年達到了3450億元，而今年有望突破4000億元大關(guān)。專為北斗導航服務的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。

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

中國衛(wèi)星導航系統(tǒng)管理辦公室主任、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)新聞發(fā)言人冉承其稱通過技術(shù)攻關(guān)，北斗三號衛(wèi)星已經(jīng)實現(xiàn)了核心器部件國產(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a(chǎn)生1分鐘左右的誤差，對于嚴苛的生產(chǎn)和科研環(huán)境，普通的計時工具再也無法滿足人們的需求，原子鐘也因此應運而生。原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波計時，因為該電磁波的穩(wěn)定性，加之精密儀器的控制，其精度可至每2000萬年誤差1秒。

目前常用的原子鐘元素有氫、銫和銣。從頻率穩(wěn)定性上來比較，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。

作為高精度且穩(wěn)定的計時工具，原子鐘常用于電臺、廣播與網(wǎng)絡的報時服務，國際時區(qū)的調(diào)整以及作為儀器校準的外部時基，但近年來用途更為廣泛的功能，還是提高全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的定位精度。

備戰(zhàn)全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)（GNSS）

衛(wèi)星導航系統(tǒng)最關(guān)鍵的一大功能就是測距，其原理是通過測量電磁波的傳播時間來計算距離，但由于電磁波以光速傳播，準確測量就需要極其精確的計時設備，哪怕存在1納秒的時間誤差，測量距離都會出現(xiàn)0.3米的偏差。而太空環(huán)境下對穩(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)星導航系統(tǒng)概況 / 電子發(fā)燒友網(wǎng)整理

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

伽利略所用被動型氫原子鐘 / Galileo

中國建立自研的衛(wèi)星導航系統(tǒng)的路途可謂曲折，2000年到2003年，我國陸續(xù)發(fā)射了三顆實驗性質(zhì)的北斗導航衛(wèi)星。03年間，中國加入了歐盟的伽利略導航系統(tǒng)項目，并投資了2.3億歐元，但自06年起，歐盟聯(lián)合美國開始排擠中國對該計劃的參與，中國只好將精力重新轉(zhuǎn)回到北斗系統(tǒng)上來。

為了與同步開發(fā)的伽利略競爭衛(wèi)星導航的頻率資源，07年升空的北斗二號首發(fā)星第一次搭載了國產(chǎn)化的銣鐘。2012年后的北斗二號衛(wèi)星中，國產(chǎn)銣原子鐘也實現(xiàn)了全面替代。北斗三號的星載氫原子鐘由中科院上海天文臺研制，據(jù)地面測試來看，與伽利略衛(wèi)星的星載氫鐘性能相當，但在軌表現(xiàn)上，我國的星載氫鐘在用戶測距上的誤差上更小，其長期預報精度高出星載銣鐘一個量級以上。

說完了國家級別的原子鐘，我們不妨來看看商用級別的原子鐘詳細性能如何。

Microchip 

SA.45s 太空級芯片原子鐘（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原子鐘，同時也是全球供應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，后者又在2018年被Microchip收購。上圖是SA.45s，一款太空級的芯片原子鐘，其面積大小和一枚硬幣相差無幾。但物理尺寸不是該原子鐘的唯一優(yōu)勢，SA.45s的功耗低于120mW，耐受20krad的輻射，短期穩(wěn)定性可達3.0 x 10-10，長期老化率小于9x10-10/月?；谄涑叽?、質(zhì)量和性能上的優(yōu)勢，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)星應用。

MHM 2020主動型氫鐘 / Microchip

被動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，因此主動型氫鐘也更昂貴，單價往往在20萬美元以上。但主動型氫鐘具有更好的短期和長期頻率穩(wěn)定性，就拿Microchip的MHM 2020來說，該主動型氫鐘是對MHM2010產(chǎn)品的重新設計，可以實現(xiàn)3x10-16的日漂移率，適合甚長基線干涉測量（VLBI）等應用，從而輔助探測衛(wèi)星任務和天文觀測。

KVARZ

CH1-95主動型氫原子鐘 / KVARZ

KVARZ是俄羅斯最大的無線電電子測量儀器的開發(fā)和制造商，CH1-95是該公司最新推出的主動型氫原子鐘。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)星導航（GPS/GNSS），深空追蹤，甚長基線的干涉測量和陣列（VLBI/VLBA）等場景，KVARZ稱本產(chǎn)品已經(jīng)交付給多個國家的大學、天文臺和計量中心。

上海天文臺

上海天文臺研制的地面主動型氫原子鐘已經(jīng)在北斗的地面系統(tǒng)中廣泛應用。經(jīng)歷研發(fā)人員多年的技術(shù)攻關(guān)后，首創(chuàng)了氫原子鐘的時分雙屏調(diào)制技術(shù)，降低了輸出頻率對糾偏信號幅相變化的敏感性，使原子鐘的核心性能指標達到了國際水準。不僅如此，該氫原子鐘首度應用了電極式微波腔，有效提高微波腔Q值和原子躍遷信號強度。同時上海天文臺的被動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)定度和漂移指標達到了小系數(shù)E-15量級，在保證性能的同時，新一代氫鐘從初代的24公斤減重至13公斤，同時降低了10%的功耗。

天奧電子

除了中科院上海天文臺和武漢物數(shù)所研制的國家級原子鐘外，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年第二十屆中國國際工業(yè)博覽會上，天奧電子展示了我國自研的首臺銫原子鐘TA1000，并指出這也是郭繼山第一臺激光小型銫原子鐘。在回答投資者提問時，天奧電子還提到北斗三號也應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，中國國家宇航局和NASA現(xiàn)在已經(jīng)開始展望應用于深空探索的原子鐘部署，幫助太空任務更好實現(xiàn)定位和著陸。從原子鐘的開發(fā)進度和成果來看，我國依然維持在世界領先水準，但我們?nèi)孕枰吹礁嗟纳虡I(yè)運用場景，隨著未來政策和技術(shù)進一步開放，相信國內(nèi)也能涌現(xiàn)SpaceX這樣的太空探索技術(shù)公司。

編者按：本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號：電子發(fā)燒友網(wǎng)(ID：elecfans)，作者： 周凱揚