空间原子钟组管理的实现及影响因素分析

在多星构建的导航卫星星座系统中,建立空间原子钟组有利于提高系统的测量精度,提升系统自主运行能力。本文对目前国内外地面/空间原子钟组管理所采用的方法进行梳理总结,给出了单颗卫星或星座中不同卫星钟之间的空间原子钟组管理初步设计方案,该方案建立在星座系统中原子钟组的设计构想基础上。从空间原子钟组输出信号的产生、钟组信号的性能测量、原子钟异常的检测及处理等方面进行考虑,本文对影响星上钟组运行的关键技术及影响因素给出了分析建议,为BDS构建连续、可靠、稳定、准确的空间原子钟组运行体系提供技术基础。

国外空间原子钟发展研究

空间原子钟包括磁选态原子钟、脉冲光抽运原子钟、相干布居囚禁原子钟、离子阱原子钟和冷原子钟。文章介绍了这5类空间原子钟的发展情况,其中:磁选态原子钟是当前卫星导航系统广泛采用的空间原子钟;脉冲光抽运原子钟已经在美国GPS-3卫星上应用;相干布居囚禁原子钟是脉冲光抽运原子钟的一种特例,其优势在于体积小、质量小、功耗低;离子阱原子钟具有很高的精度,目前其天稳定度已经达到10^(-17);冷原子钟基于近绝对零度下原子的物理特性和量子光学测量技术,具有极高的准确度和稳定度,发展与应用前景广阔。分析了空间原子钟的发展趋势,如激光冷却、量子频率光学测量与环境控制,将成为空间原子钟发展的支撑性关键技术。针对我国空间原子钟的发展现状和技术水平,提出了挖掘现有原子钟潜力、瞄准原子钟前沿技术等建议。

应用空间原子钟的基础物理测试

随着新型原子钟的发明,其频率稳定度性能已经发展到很高的水平,它们在空间科学试验中将发挥重要作用。这篇文章将介绍应用空间原子钟在微重力环境下所建议的某些基础物理方面的测试。

欧洲空间原子钟组ACES与超高精度时频传递技术新进展

高精度时间频率的产生和超高精度时频信号的传递是现代物理学、天文学和计量科学的基础。空间原子钟组计划(Atomic Clock Ensemble in Space,ACES)是由欧洲空间局实施的基于国际空间站(International Space Station,ISS)微重力环境下的新型空间微波原子钟实验验证项目。概要介绍ACES项目基本情况,重点介绍ACES项目的主要科学和技术目标,围绕科学目标而形成的ACES组成结构,并梳理涉及的关键技术,特别介绍了ACES将应用的超高精度时频传递技术,为我国自主研究并实现相关空间时间频率系统及其应用提供参考。最后简述了我国正在建设的空间站时频系统主要情况和实施计划。

天宫二号里那块优雅的“手表”——空间冷原子钟

天宫二号带着一款别致的"手表"——空间冷原子钟正在绕着地球翱翔。它仰望深空,俯视大地,探索浩淼宇宙遵循的黄金规则,细致描绘地球母亲的每一寸土地。这是人类史上首台在空间实验室开展科学研究的空间冷原子钟,它的精准度也是史无前例的,为3 000万年误差不超过1 s。这台原子钟是中国科学家们历经十数年孕育和抚养成才的,它承载着中国在空间定位、深空探测,以及广义相对论的验证等方面的研究使命。

冷原子微波频标的原理与发展

以原子喷泉为代表的冷原子微波频标近年来取得了飞速发展。基于激光冷却技术的喷泉钟通过原子的抛体运动实现Ramsey干涉,其鉴频谱线约1 Hz的窄线宽和优异的信噪比使得喷泉频标的长期稳定度和不确定度达到了10^(-16),其优异的稳定度指标也对振荡器提出了更高要求。基于光频标技术发展的光生微波可以实现10^(-15)的秒稳定度,从而使喷泉钟的稳定度达到了量子投影噪声极限。通过将性能优异的喷泉钟引入守时钟组,世界原子时的频率精度达到了约2×10^(-16)。除了地面应用外,冷原子频标还进入空间,获得了优异的性能指标,并将在导航定位和科学研究等领域发挥重要作用。中国科学院上海光学精密机械研究所在喷泉频标、光生微波等冷原子微波频标领域开展了系统研究,技术指标达到了国际先进水平,并实现了国际首台空间冷原子钟在轨运行。

高温超导谐振器技术及其应用研究综述

目前,用超导临界温度比较高、微波表面电阻Rs较小、超导性能稳定的高温超导薄膜制成的高温超导谐振器已在工程上得到广泛应用。高温超导谐振器较其他谐振器具有Q值高、噪声小、损耗低等优点。它不仅可作为高性能微波器件使用,还可用来开展超导薄膜或介质衬底材料的微波性能研究,在航天领域有望用于空间原子钟。文章对高温超导谐振器的原理、结构、各领域应用及国内外研究情况进行综述,并给出我国发展此项技术的建议。