Green 版 (精华区)

发信人: pippen (CNSA), 信区: Green
标  题: 卫星导航星载原子钟与同步技术
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed May 28 00:55:47 2003) , 转信

发信站: BBS 水木清华站 (Tue May 27 13:19:30 2003), 转信

关键字： 航天控制
建议执行主席： 宋 健、陆建勋、童 铠、王义遒
召开日期： 2002年4月23日 结束日期： 2002年4月25日
申请人： 童 铠 申请日期：
会议类别： 国内 会议类型： 个人申请
所属学科： 召开地点： 香山饭店
申请理由： 我国已经研制成功第一代导航卫星系统”北斗一号”，其定位方法采用双程
测距；现正在研究发展第二代导航卫星系统，其定位方法改用单程测距，用户机直接接
接收卫星辐射的单程测距信号自己定位，测距精度要由星载高稳定度的原子钟来保证。
所有用户机可使用稳定度较低的石英钟，其对钟误 差作为未知数和用户的三维未位置参
数一起由四个以上的卫星测距方程来求解。由此可见，保障第二代导航卫星系统定位精
度的最主要关键在于突破星载的高精度时间频率基准技术，其寿命要和我国卫星在轨寿
命相匹配，至少8年，总重量不超过10－20公斤。
星载时钟频率稳定度表达式可近似为σy(τ)=σsτ-1/2+σd,其中σs为秒稳定度，σd
为日稳定度，τ为测量间隔（单位：秒），由其引起的星钟时间偏移方差σ2(t)还决定
于星地时钟（地面时钟采用氢钟作系统基准）同步校准的时间间隔和校准方法，σ2(t)
=σs2×(t-tk)+σd2×(t-tk)2,其中t为当前时刻，tk为校准时刻。
由星钟频率稳定度引起的测距误差要求控制在一米，或3.33ns左右。各卫星与地面系统
钟同步方法误差则应控制在1ns之内。对于星钟有规律的频率漂移，原则上可以预报修正
，但不可太大，此外，还必须校准好对论效应和地球重力异常效应。
系统建设初期同步校准时间间隔暂可取24小时，但今后为了提高系统抗敌方摧毁地面站
能力，同步样准时间间隔应可以拉长到1－3个月而不显著降低定位精度，下表列出了所
需σs和σd对应用于同步校准时间间隔的计算结果：
t-tk σ s σd
1天 8×10-12/秒 2.7×10-14/日
7天 3×10-12/秒 4.0×10-15/日
30天 3×10-12/秒 4.0×10-15/日
180天 3×10-12/秒 1.5×10-15/日
σ（t） 相应测距误差
3.3ns 0.99m
3.36ns 1.0m
11.4ns 3.43m
26.2ns 7.85m
对星载原子钟美国GPS卫星早期采用铷钟，指标不高（σs=1×10-11/秒，σd=1×10-12
/日，日漂移＝5×10-12),后期指标有明显提高（σs=3×10－12/秒，σd=5×10-14/日
,日漂移＝5×10-14,重量5.44公斤，功耗＝39瓦，寿命>3年〕；也曾试用氢钟，但并未
实用。近来新型频标研究取得重大进展，其中离子阱频标尤为突出（σd=3×10-16/日，
日漂移＝2×10-16/日，预期重10公斤〕。GPSⅡA型卫星每天由地面监控系统更新星历和
星钟修正系数，用最新数据可以提供5.3米的总测距精度，ⅡR型卫星采用新型的铷原子
钟，频率稳定性能比ⅡA型高一个量级，并采用星间相互无线电链路定轨，卫星能够自主
运行180天，总测距精度仍可达到7.4米，如果每隔30天由地面监控系统作210天数据集的
星历和星钟修正系数更新，总测距精度可达5.3米。俄罗斯GLONASS系统采用每星3台铯钟
）俄罗斯无线电导航与时间研究所产品，σs=2×10-11/秒，σd=5×10-13/日，钟组重
量55公斤，寿命3－5年〕，每12小时地面对星载钟校准一次：未来的M型卫星σs=2×10
-11/秒，σd=1×10-13/日，重量30公斤，寿命>7年。欧共体GALILEO系统则计划采用铷
钟（S－RAFS产品，σd=3×10-14/日，重量1.3公斤），并发展了一种每小时地面对星载
钟校准一次的方法。其二期工程准备上氢钟。
国内对地面用的铷、铯和氢钟都有研制，而星载高精度时间频率基准刚开始发。“北斗
一号”星上是引进的精度不高（秒稳5×10-10，年稳5×10-10)的美国产品。目前正式开
展星载铷钟研制的有北京大学（与203所合作），武汉物理所（与五院504所合作），主
要技术难度是日稳和寿命偏低。氢钟小型化有上海天文台（和五院539厂合作）和航天机
电集团203所，氢钟的主要技术难度是重量和体积需要显著缩小。北京大学，203所及电
子12所正在开展光抽运小铯钟，地面时间基准大铯钟有中国计量院，其开展的铯 原子喷
泉泉装置精度很高，但目前离工程实用尚远。总的说来，对于星载原子频标的研究我国
缺乏统一的长远规划，对其今后发展方向的设想也不尽一致。在研的星载铷钟指标不完
全满足导航要求，尤其不能适应长期不经校准而保持测距精度的要求。星载氢钟的实用
性有待攻关，国外广为实有的星载铯钟的研制国内尚未开展，离子阱频标也正在研究探
讨之中。
对于星地时间同步，可以有多种方法，用激光跟踪测距进行同步校整有很高的精度，国
内虽有多个运转良好的激光跟踪站，只是刚开展这方面的理论探讨工作。
针对上述情况，对于星载原子频率基准 的今后发展途径，急需通过本次会议，发挥全国
科学家的聪明才智，从各个不同角度提出见解，展开深入讨论和争辩，以深化发展中存
在实质问题的认识，争取尽早明确发展方向，将有助于防止研制工作走弯路，还可进一
步发动全国科学技术力量共同攻克难关。
中心议题： 1、为了满足我国卫星导航事业近期与长远发展需求，星载原子频标应发展
那种技术途径？单项发展星载铷钟是否可行？发展分两步走是否可行？第二步优先发展
氢钟，还是铯钟？或是另辟新的技术途径（例如离子阱频标或新的标校方法）？
2、发展我国卫星导航系统星地时间同步校准技术的优选途径是什么？
3、我国卫星导航系统如何进行相对论与地球重力异常校准？
总评述报告： 童 铠：我国“北斗一号”及第二代卫星导航系统发展概况，系统对星载
原子频率基准，星地时间同步及校准的要求
王义遒：国内外星载原子频率基准发展概况及今后发展途径评述
专题发言： 中心议题评述报告人和题目，专题发言人和题目：（含单位）
1、周忠石（航天机电集团203所），董太乾（北京大学）：我国研制铷钟水平与星载铷
钟发展前景
2、翟造成（中科院上海天文台）：我国研制氢钟水平与星载氢钟发展前景
3、张德俊（航天机电集团203所）：我国研制小氢钟水平与星载氢钟发展前景
4、杨东海（北京大学）：我国研制铯钟水平与星载铯钟发展前景
5、朱熙文（中科院武汉物理与数学所）：国内外研制离子频标水平与星载应用的发展前
景
6、李天初（中国计量科学研究院）：我国研制原子喷泉铯 钟水平与发展前景
7、谭述森（总参测绘局北京卫星定位总站）：“北斗一号”卫星导航系统运行概况
8、周建华（总参测绘局北京卫星定位总站）：星地时间同步校准技术
9、林 金（航天科技集团一院12所）：相对论校准问题
10、石 磐（西安测绘研究所）：地球重力异常校准问题的解决途径


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※ 来源:．哈工大紫丁香 http://bbs.hit.edu.cn [FROM: 218.8.45.31]