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【科学网】“北斗”导航与授时

发表日期:2020-06-29来源:科学网放大 缩小

  6月23日9时43分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星的同时,也标志着北斗三号全球卫星导航系统星座部署全面完成。

  “北斗”的导航精度 

  北斗三号基本导航服务可向全球提供精度优于5米的定位服务,在精密定位方面,最高精度定位动态可达到分米级,静态可达到厘米级。

  “如果出租车装上这套高精度系统,可以闭着眼睛把车开到你的脚底下,这就是我们北斗的特色服务。也是一个巨大的成就。这个高精度应用目前只能在我们中国境内用,今后还要把它向全世界推广。” 中国卫星导航系统管理办公室主任、北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其如是说。

  而将北斗定位精度从米级提高到厘米级水平是位于陕西临潼的中国科学院国家授时中心(以下简称国家授时中心)创新完成的。 

  北斗三号卫星上的星载铷原子钟是中国科学院精密测量科学与技术创新研究院(原武汉物理与数学研究所)研制的第三代产品——甚高精度星载铷原子钟,其精度可以达到每天100亿分之5秒,处于国际领先水平。

  卫星导航系统虽然是一种导航定位系统,但导航定位的基本原理却是时间测量。因此,卫星导航系统需要有一套准确可靠的时间频率系统,也具有授时功能,它的授时精度在十纳秒量级。国家授时中心科技处负责人任晓乾介绍。

  “时间的毫厘之差,会带来距离的千里之谬。在太空开展飞船对接,一旦测控系统时间差百万分之一秒,就会出现300米的距离偏差。”国家授时中心原主任漆贯荣研究员这样举例说之。

  国家授时中心作为我国唯一专门从事时间频率科学和技术科研的机构,不但是“北京时间”的守时与授时机构,也为北斗全球系统的建设和发展作出了诸多贡献。

  国家授时中心依托国家标准时间的优势,围绕北斗系统的工程建设和稳定运行,在北斗系统中承担了信号、轨道、时间测试评估和新技术试验验证、系统时间溯源、时间频率体系及原子钟研制等多项关键技术攻关任务,为北斗系统的建设、运行和发展发挥了重要作用。

  2015年,国家授时中心建成了我国第一套全面的、实时连续运行的全球卫星导航系统时差监测和授时性能评估系统,全面开展全球卫星导航系统时间监测和服务性能评估工作,有力支撑着北斗系统的建设和运行。

  国家授时中心还长期负责北斗卫星信号质量监测工作,自主研发建成了全球首个以40米天线为核心的北斗空间信号质量评估系统,评估结果已成为北斗卫星入网与在轨故障诊断的重要判据和分析依据,实现了对北斗三号试验星和组网星信号的第三方国内权威的监测与评估。

  与此同时,国家授时中心建成了“北斗一带一路高精度位置与时间服务中心”,将北斗定位精度从米级提高到厘米级,也即将形成便于推广的分布式示范装置。目前,这些成果已经应用在地面观测网时间同步、甘肃地震滑坡监测等领域,填补了我国在高精度定位和超高精度定时方面的应用空白。

  “北斗”的授时精度 

  “高精度的时间不仅在通信、证券、航空、国防等领域具有重要意义,作为最基本的物理量,对提升国家科研水平也有着基础性作用。”国家授时中心副主任李孝辉研究员讲。

  如在电力系统中,大量发电机并网发电需要保持高度时间同步,并网主要设备的时间要同步到微秒量级。同时,时间也可以充当输电线上的侦察兵。“比如,高压输电线不幸被雷击中,高精度时间就可以实现对故障点的快速定位。”国家授时中心时间科普馆工作人员介绍。

  同样的原理,5G通信也需要高精度时间来保驾护航。没有时间同步就无法实现通信,5G基站有着非常高的时间同步要求,精度要达到十几个纳秒。

  据介绍,北斗卫星的授时精度也是世界上最高的,十个纳秒,就是你收到时间的误差不会超过十个纳秒。一个纳秒是十的负九次方秒。

  “北斗系统是混合星座卫星导航系统,将为我们提供高精度时间的保障。北斗系统将会在电力、通信、交通、铁路,还有我们的智慧城市、农业、大数据、区块链方面得到广泛的应用。”国家授时中心刘娅博士说。

  目前,我们日常的“北京时间”并非来自北京,而是来自国家授时中心。这里是北京时间的源头,小到手表,大到卫星,它们的时间都来自于此。

  在国家授时中心的时频基准重点实验室,12台显示屏上分别显示着“北京时间”“协调世界时”“国际原子时”,这些原子钟是利用测量原子震荡频率来计时,其授时的铯原子钟,精度可以达到每100万年误差1秒。国家授时中心拥有国内第一、世界第四规模的守时原子钟组,负责确定和保持我国原子时标准和协调世界时标准,“守”和“授” “北京时间”精度与发射。

  为进一步提高我国授时系统的安全性、可靠性和授时精度,2019年,由国家授时中心建议的“十三五”国家重大科技基础设施项目——高精度地基授时系统在西安启动建设,计划在2023年建成。

  “西安也将成为我国时间频率科学研究、创新、发展的中心,为数字信息化发展提供重要支撑。”任晓乾介绍。

 

http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2020/6/442053.shtm?bsh_bid=5523091151&from=timeline

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