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北斗三号上的这个钟不得了!300万年只有1秒误差
发布时间:2018-06-11 08:12     点击数:    字号:T | T
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生活中我们可能越来越离不开导航和定位,比如路线规划、自动驾驶、无人机送货、自动泊车等等方方面面都越来越依赖高精度导航和定位。说到导航和定位,大家熟知的是美国GPS系统以及我国的“国之重器”北斗系统。但不知道您是否知道,在北斗导统里也离不开核技术的应用。

在海湾战争中,装载GPS的武器的精确打击性能让世界震惊,我国于1994年作出重大决定,研发自己的卫星导航系统,命名为“北斗”。2018年要发射18颗北斗卫星,向“一带一路”沿线国家提供服务;到2020年,建成世界一流的北斗系统;2035年,建成一个以北斗系统为核心的,构建空天地海无缝覆盖多种手段融合、高精度安全可靠、万物互联万物智能的国家北斗综合定位导航授时(PNT)体系。

届时,时空信息服务将渗透到我们生活的每一个角落,北斗无处不在,无时不在。定位精确到亚米级、厘米级的北斗卫星导航系统,安装在手机上,为“路痴”解决了找不着路的困惑;能够探测到强风中建筑物晃动,能帮助监测一些自然灾害;草原上的牧民们用北斗来监管羊群,进行放牧……

高精度的时间基准技术,是卫星导航系统最核心的技术,直接决定着系统导航定位精度,对整个工程的成败起决定性的作用,原子钟就是这个“高精度的时间基准”。原子钟是导航卫星的核心,导航的核心就是时间测量。在由导航卫星搭建的星地坐标系中,每个星座都有自己的坐标信息,通过测量人们与星座间的距离,就能算出人们在该坐标系的位置。在信号传播速度(光速)已知的前提下,时间测量越精密,位置解算就越精确。

2005年,正在建设的北斗二号的原子钟出了问题,由于国外对我们进行技术封锁,成为当时北斗卫星导航系统建设的最大瓶颈。如今我们独立自主研制的导航用原子钟,已提升到每300万年才会出现1秒误差的精度,完全满足了我国的定位精度要求和卫星的使用寿命。

简单来说,原子钟是利用原子跃迁频率稳定的特性来获取精准时间频率信号的设备。根据量子物理学的基本原理,我们知道,原子由原子核和电子组成,电子绕原子核高速旋转,电子有不同的旋转轨道,电子在不同的旋转轨道具有不同的能量,这些能量是不连续的,称为能级。电子在不同的能级之间可以跃迁,当电子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时,它便会释放电磁波。这种电磁波的频率是不连续的,这也就是人们所说的共振频率。

同一种原子的同一种跃迁的共振频率是一定的,基本不受外界干扰,不同能级的跃迁将辐射出不同频率的光(光本质是电磁波哦),每种原子的所有跃迁发出来的辐射按照频率排列出来,就是某种原子的光谱。一种物质的光谱就是物质的“DNA”!例如铯-133的一个共振频率为每秒9192631770赫兹。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

原子钟的原理虽然简单,但其研发涉及量子物理学、电学、结构力学等众多学科,目前国际上仅中、美、俄等少数国家具有独立研制能力。星载原子钟主要应用于导航系统,分为氢原子钟、铷原子钟和铯原子钟3种。

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