氢原子钟的空间应用前景

氢原子钟仍是目前可移动的和实用的最高稳定度的时频标准。作为参考，10^-16稳定度的氢原子钟很适合空间科学测量。文章介绍了氢原子钟的特点及其在空间科学实验中的潜在应用前景。     

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。     

基于载波多普勒的高稳定度GNSS时钟驯服方法

为了充分利用高精度的GNSS载波相位观测量实现对本地时钟高稳定度的驯服，文章提出一种基于GNSS载波相位观测量的GNSS驯服时钟方法，其驯服后的本地时钟频率稳定度高，长稳接近GNSS卫星的星载原子钟水平。该方法首先利用4颗以上卫星的载波多普勒来估计本地时钟与GNSS卫星时钟的频偏；再用三阶锁频环对频偏进行滤波；最后用滤波后的频偏控制本地时钟的压控晶振或数字控制振荡器，以修正本地时钟的频偏。以氢钟作为思博伦GNSS模拟器和PicoTime阿伦方差测试仪的外参考输入时钟，[JP2]以高稳晶振为频率源的GPS接收机接思博伦GNSS模拟器的试验结果表明：该时钟驯服方法可将100s后的时钟稳定度从自由运行状态的1×10-11量级，经驯服后优于1×10-12量级，性能比肩GPS星载原子钟，具有较高的工程应用价值。文章所采用的方法可使驯服高稳晶振替代造价昂贵的星载原子钟，作为低轨导航增强星座的高稳定度频率源，且具有低成本、低功耗、轻质量等优势。     

国外空间微重力钟计划及其应用前景

原子钟已经发展到很高的水平,它们在空间科学试验中起着非常重要的作用。文章介绍国外已经建议和正在开展的高精度微重力钟计划,以及它们的应用前景。     

武汉物理与数学研究所CPT原子钟研究取得新进展

2008年7月22日,据中国科学院网站报道,最近,中科院武汉物理与数学研究所研究员顾思洪等人在CPT原子钟核心技术研究方面取得重要进展,研制出性能得到明显改进的CPT原子钟,其稳定度和功耗等主要指标已与国外商品钟的指标相当。CPT原子钟是利用原子的相干布局囚禁原理而实现的一种     

北斗星载铯钟在轨性能评估方法实践

北斗卫星导航系统装备高精度的原子钟为卫星提供高准确度、高稳定性以及低漂移率的基准频率。在某颗卫星上装备了一台铯原子钟，开机作为热备份提供备份的基准频率，在卫星上配备且提供服务的工作钟为一台氢原子钟。通过对2019年12月6日至2020年5月17日此卫星上每秒一次的主备钟相差采样数据测量值的统计、处理，以及对处理结果的分析，完成了对此卫星上星载铯原子钟的在轨性能评估。通过对处理结果的分析得出，星载铯原子钟在轨表现出的频率准确度、10 s以上的频率稳定度以及漂移率等性能与此铯原子钟在地面的测试结果基本一致。使用主备钟相差采样数据的测量值分析备份铯原子钟在轨性能方法的可行性、可信度很高。国内研发的高精度铯原子钟达到了可以为卫星提供服务的水平。     

“伽利略”卫星时钟问题原因查明

<正>欧盟委员会7月3日称,欧空局调查人员已查明导致"伽利略"卫星导航系统部分星上原子钟失效的原因。"伽利略"系统迄今已有18颗卫星在轨,但部分卫星星钟出现了故障。每颗"伽利略"卫星上设有4台超高精度的原子钟,其中两台为铷钟,另两台为氢脉泽钟。每颗卫星只需有一台时钟工作即可,另3台作为备份。目前该系统已有3台铷钟和6台氢脉泽钟不能工作,有一颗卫星已有两台时钟失效。欧委会女发言人卡德特说,     

空间用Hg^＋频标

本文介绍以约束在线性离子阱中的Hg~ 离子为工作物质的空间用离子频标的设计要点。这种新型频标可以提供象氢原子钟一样的超高频率稳定度,重量却与NAVSTAR/GPS用的铯原子钟相当,约为11千克,所以非常适于空间应用。为了达到11千克的估值,文中将Hg~ 离子频标和现在使用的GPS铯频标进行对比。建议采取最近研制的延展型线性阱结构,从而使空间用的Hg~ 离子频标的物理部分的体积减小到与铯束管相近。在这种结构下,现有Hg~ 离子频标显示出的优于10~(-15)的频率稳定度将会保持甚至有所改善,并将具有比目前任何适合于空间使用的频标更高的频率稳定度与重量比。     

应用原子钟的空间系统与空间原子钟的新发展

文章介绍了目前应用原子钟的空间系统以及空间原子钟在这些系统的应用概况。对潜在应用原子钟的空间系统和科学有效载荷以及潜在空间原子钟的新发展也进行了介绍。     

基于频率源稳定度的钟差序列生成方法研究

基于频率源噪声特性和幂率谱密度之间的关系，构建了一种通过频率源目标稳定度反向生成虚拟钟差序列模型，利用虚拟钟差序列模型可以快速、高效地生成目标频率源的长期钟差数据。针对不同类型频率源的组合噪声特征，采用传统的噪声模型生成5种频率源噪声，然后利用仿真分析验证虚拟钟差序列生成模型的正确性。通过比对仿真结果可知，基于铷钟、氢钟和铯钟的虚拟钟差序列的稳定度与实测钟差序列的稳定度基本相符，重建虚拟钟差序列能够准确地反映其频率噪声特性，因此，文中采用频率源目标稳定度生成其钟差序列的方法可行、有效。     

轨道误差对空间站高精度时间比对的影响分析及修正方法

针对空间站飞行轨道的特点，从理论上分析了空间站轨道误差对单向和共视时间比对的影响，并通过仿真试验对理论分析结果进行校验，研究结果表明轨道误差对空间站时间比对的影响在几百皮秒量级，是影响空间站时间比对精度的主要误差源。提出一种适用于两个地面站间进行高精度时间比对的空间站轨道误差修正方法，通过仿真试验校验了该方法的有效性。试验结果表明，该方法能有效修正空间站轨道误差，实现精度在几十皮秒量级的两地面站间的超高精度时间比对，比对基线可达上千千米。     

导航星座自主导航的时间同步技术

导航星座自主导航能够有效地减少地面测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低系统维持费用,实时监测导航信息的完好性,增强系统的生存能力。卫星时间同步是实现导航星座自主导航的关键技术之一,而星载原子时钟的频率稳定性能直接影响着卫星时间同步精度。本文基于星载原子时钟频率稳定性的Allan方差表达,建立系统状态方程,并以星间双向测量伪距差作为基本观测量,组成系统测量方程。从而,可以设计适用于导航星座卫星时间同步的Kalman滤波算法。系统仿真结果表明:通过滤波处理星间双向测距数据,不断地更新卫星时钟参数,能够实现星座卫星自主高精度时间同步。     

“Space superiority”: Wernher von Braun's campaign for a nuclear-armed space station, 1946–1956

The literature on the history of spaceflight has depicted the early 1950s Collier’s articles mostly as a forerunner to the peaceful and scientific exploration of space. Yet the centerpiece of Wernher von Braun's plan was a manned space station that would serve as reconnaissance platform and orbiting battle station for achieving “space superiority” over the USSR. One its roles could be the launching of nuclear missiles. When challenged as to the station's defensibility, von Braun even posited pre-emptive atomic strikes from space as a response to the development of a hostile anti-satellite capability.     

基于氢化镁的核电/核热双模共质空间核动力技术

针对未来空间任务对能源和动力日益提高的需求,提出了基于氢化镁的核电核热双模共质空间核动力技术。该技术以一种储氢密度高、热稳定性较好,能够以常温常压储存的氢化镁作为工质,通过核能加热后氢化镁分解成为核热推进可用的高压氢气和电推进可用的单质镁,并结合高效动态热电转换系统,形成大功率核电源、大功率超高比冲核电推进、高比冲氢气核热推进以及大推力镁核热推进多种工作模式。基于氢化镁的多模共质空间核动力技术解决了低温推进剂、气态工质在空间应用时的存储安全性和存储密度低的问题,其具备的多种工作模式能够针对不同任务需求提供相应的能源或者动力输出,提高核动力飞行器任务能力。     

A European military space community: Reality or dream?

Europe is faced with several essential policy decisions with regard to the exploitation of space technology. Important issues are: the relations between civilian and military uses of outer space, employment opportunities, industrial and commercial interests, European security and international stability, regional and international cooperation. Concerted action is required for political reasons and in order to achieve the necessary scientific, technological and economic critical masses. Another major policy issue is, therefore, whether Europe should expand its space venture in the framework of a European military space community as proposed by France, through national or bilateral programmes, by participating in the US SDI research, or through NATO, the Independent European Programme Group, the Western European Union, or the European Space Agency.     

LEO原子氧剥蚀太阳电池阵Ag互连材料的试验研究

暴露在低地球轨道(LEO)上的太阳电池阵,会与大量具有极强氧化性的原子氧发生碰撞,导致太阳电池阵中对氧原子敏感的Ag互连材料受到剥蚀。文章依据原子氧剥蚀Ag材料的机理,选取了约400 km高度轨道上1年时间内原子氧的累积通量作为最高剂量,进行了原子氧剥蚀不同厚度Ag互连材料的地面模拟环境试验。试验表明:Ag在原子氧作用下在宏观上会经历"氧化—剥落"的循环剥蚀过程。根据反应方程简化推导了Ag互连片的剥蚀厚度公式,同时结合试验结果计算出了不同厚度Ag互连材料的厚度损失率。该研究成果可为LEO太阳电池阵原子氧防护设计提供技术支持。     

Kalman滤波的铷原子钟控制算法

以GPS接收机输出的1pps信号为参考信号,采用Kalman滤波算法对铷原子钟的参数进行估计,计算铷原子钟的频率调整量,对铷原子钟进行调整,使其和UTC时间保持同步。实验结果表明,受驯铷原子钟输出1pps与UTC（NTSC）钟差的标准差优于3.5 ns,钟差峰峰值优于15 ns,100 s采样的Allan方差为1.83×10 -12 ,10000 s采样的Allan方差为6.1×10 -13 。实验证明了基于Kalman滤波的铷原子钟控制算法,使铷钟获得了较好的准确性和长期稳定性,且对其短期稳定性影响最小,是一种可靠稳定的铷钟控制方法。     

深空探测器被动式高精度多普勒测量方法与应用

针对深空探测器的单程多普勒测量需求,研究了被动式高精度多普勒测量方法及其实现技术。该方法基于探测器测控信标残留载波等点频信号和VLBI测站高精度氢原子钟频标,构造出与实际接收信号频率接近的参考信号;再通过本地相关处理,完成高精度开环多普勒测量。其特色在于完全不需要精确的先验轨道模型。所开发的专用被动式多普勒测量设备,在国内第一次成功用于欧空局环火星探测器“MEX”的多普勒测定轨试验。探测器X频段信号5s积分的单程多普勒测量精度达到 0.2mm/s ,与欧空局测量水平相当。采用该多普勒测量数据的MEX定轨结果与欧空局精密轨道在数百米至千米量级一致。     

空间原子氧环境对常用热控涂层的影响

空间原子氧（AO）是影响低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对热控涂层和组件造成危害。文章分析了空间AO及相关综合环境对白漆、黑漆、有色有机漆、薄膜、织物、二次表面镜等各类常用热控涂层在LEO长期使用时可能引起的环境效应和危害,提出了相关使用建议,以期为今后我国以空间站为代表的LEO长寿命航天器论证及研制提供技术参考。