原子鐘是北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的“心臟”，直接決定了導(dǎo)航定位精度。若衛(wèi)星存在十億分之一秒(1納秒)的時間誤差，則會產(chǎn)生0.3米的測距誤差。

作為新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的三項關(guān)鍵技術(shù)之一，中科院上海天文臺研制的被動型星載氫原子鐘，1千萬年才誤差一秒，日前獲得2019年上海市科技進步一等獎。

已研制完成多臺北斗組網(wǎng)衛(wèi)星氫鐘

根據(jù)量子力學(xué)原理，原子具有不連續(xù)的能量數(shù)值，當(dāng)原子從一個能級躍遷至另一個能級時，其吸收或釋放的電磁波頻率是固定的，原子鐘就是利用原子躍遷產(chǎn)生固定頻率的電磁波進行計時的工具。GPS、格洛納斯、北斗和伽利略等四大全球?qū)Ш较到y(tǒng)的衛(wèi)星均配置了高性能原子鐘，包括銣鐘、銫鐘和氫鐘。其中，氫鐘同時具備頻率穩(wěn)定性好和漂移率小的特點，對導(dǎo)航信號精度的提升非常有益。

作為一種精密的計時器具，氫鐘的精度到底有多高？“機械表一天差不多有1秒誤差，石英表一天大概有0.1秒誤差，而氫鐘數(shù)百萬年甚至1千萬年才有1秒誤差。”北斗三號衛(wèi)星星載氫鐘項目負責(zé)人、上海天文臺帥濤研究員告訴解放日報?上觀新聞記者。

目前，國外僅歐洲伽利略衛(wèi)星配置了星載氫鐘，與我國星載氫鐘相比，兩者地面測試性能相當(dāng)，但從在軌綜合表現(xiàn)來看，我國星載氫鐘實現(xiàn)的用戶測距誤差更小。

上海天文臺星載氫鐘研制團隊

上海天文臺在時間頻率學(xué)科方面具有良好的研究基礎(chǔ)，自上世紀(jì)60年代起承擔(dān)我國世界時的授時工作，70年代研制出我國首臺地面主動型氫原子鐘。針對北斗導(dǎo)航衛(wèi)星星上應(yīng)用，上海天文臺于2002年啟動我國首臺星載氫鐘的研制。2010年，星載氫鐘項目組在中國科學(xué)院和北斗重大專項的支持下，聯(lián)合上海航天電子技術(shù)研究所和中科院上海技術(shù)物理研究所等單位開展了星載氫鐘的工程化研制工作。2015年9月，由上海天文臺研制的我國首臺星載氫鐘隨新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上天應(yīng)用。在北斗三號全球系統(tǒng)建設(shè)中，上海天文臺已研制完成多臺組網(wǎng)衛(wèi)星星載氫鐘，長期預(yù)報精度高出星載銣鐘一個量級以上，大幅度提升了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)精度。

核心元器件全部國產(chǎn)化

我國首臺星載氫鐘首創(chuàng)和突破了多項關(guān)鍵技術(shù)，核心元器件全部國產(chǎn)化，實現(xiàn)了導(dǎo)航衛(wèi)星“心臟”完全自主可控。

氫鐘在太空下的工作環(huán)境存在一定的溫度波動，而電路參數(shù)對溫度較為敏感。為實現(xiàn)氫鐘的長期穩(wěn)定性，上海天文臺研究人員首創(chuàng)了氫鐘時分雙頻調(diào)制技術(shù)，有效降低了氫鐘輸出頻率對糾偏信號幅相變化的敏感性，使得溫度系數(shù)指標(biāo)達到國際先進水平。

研制團隊首次在氫鐘上應(yīng)用了原創(chuàng)的電極式微波腔，相比國外的磁控管微波腔重量輕了10%，物理系統(tǒng)信號增益更高，為氫鐘高穩(wěn)定度指標(biāo)的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。

如果氫鐘在空中突然發(fā)生故障怎么辦？“不用擔(dān)心，衛(wèi)星配置了時頻生成與保持系統(tǒng)，可以實現(xiàn)主用原子鐘和備用原子鐘之間無縫切換，切換前后衛(wèi)星時間變化小于20皮秒(1皮秒等于一萬億分之一秒)，對應(yīng)的用戶測距誤差小于1厘米。”帥濤告訴解放日報?上觀新聞記者，這就意味著，如果開車時衛(wèi)星切換了星上原子鐘，用戶完全察覺不到導(dǎo)航定位信號發(fā)生了改變。

為適應(yīng)下一代高集成度導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)展需要，研究團隊在保證性能指標(biāo)的同時，把氫鐘重量減輕了一半左右。第一代星載氫鐘24公斤，今年剛完成研制的只有13公斤，功耗也降低了10%左右。未來，除了用于導(dǎo)航衛(wèi)星，氫鐘還將用于空間甚長基線干涉測量等科學(xué)實驗。

從2002年啟動星載氫鐘的研制，到2015年首臺星載氫鐘上天應(yīng)用，上海天文臺研制團隊走過了一段不短的路。特別是在早期星載氫鐘鑒定產(chǎn)品和正樣產(chǎn)品研發(fā)的那段日子，每天加班2、3個小時是“家常便飯”，仿真分析、試驗驗證、改進提升、迭代驗證，一次次修改，一次次完善。“也會有煩躁的時候，但只要有一丁點進展，大家都會興奮好幾天，彼此鼓勵著，繼續(xù)往前走。”

欄目主編：黃海華 文字編輯：黃海華 題圖來源：視覺中國 圖片編輯：雍凱

文中圖片由采訪對象提供

總結(jié)

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