原子鐘是北斗導航衛星的“心臟”，直接決定了導航定位精度。若衛星存在十億分之一秒（1納秒）的時間誤差，則會產生0.3米的測距誤差。作為新一代北斗導航衛星的三項關鍵技術之一，中科院上海天文台研製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。

已研製完成多台北斗組網衛星氫鐘

根據量子力學原理，原子具有不連續的能量數值，當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導航系統的衛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定性好和漂移率小的特點，對導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，而氫鐘數百萬年甚至1千萬年才有1秒誤差。”北斗三號衛星星載氫鐘項目負責人、上海天文台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，但從在軌綜合表現來看，我國星載氫鐘實現的用戶測距誤差更小。

上海天文台星載氫鐘研製團隊

上海天文台在時間頻率學科方面具有良好的研究基礎，自上世紀60年代起承擔我國世界時的授時工作，70年代研製出我國首台地面主動型氫原子鐘。針對北斗導航衛星星上應用，上海天文台於2002年啟動我國首台星載氫鐘的研製。2010年，星載氫鐘項目組在中國科學院和北斗重大專項的支持下，聯合上海航天電子技術研究所和中科院上海技術物理研究所等單位開展了星載氫鐘的工程化研製工作。2015年9月，由上海天文台研製的我國首台星載氫鐘隨新一代北斗導航衛星上天應用。在北斗三號全球系統建設中，上海天文台已研製完成多台組網衛星星載氫鐘，長期預報精度高出星載銣鐘一個量級以上，大幅度提升了北斗導航衛星系統的時間基準精度。

核心元器件全部國產化

我國首台星載氫鐘首創和突破了多項關鍵技術，核心元器件全部國產化，實現了導航衛星“心臟”完全自主可控。

氫鐘在太空下的工作環境存在一定的溫度波動，而電路參數對溫度較為敏感。為實現氫鐘的長期穩定性，上海天文台研究人員首創了氫鐘時分雙頻調製技術，有效降低了氫鐘輸出頻率對糾偏信號幅相變化的敏感性，使得溫度係數指標達到國際先進水平。

研製團隊首次在氫鐘上應用了原創的電極式微波腔，相比國外的磁控管微波腔重量輕了10%，物理系統信號增益更高，為氫鐘高穩定度指標的實現奠定了基礎。

如果氫鐘在空中突然發生故障怎麼辦？“不用擔心，衛星配置了時頻生成與保持系統，可以實現主用原子鐘和備用原子鐘之間無縫切換，切換前後衛星時間變化小於20皮秒（1皮秒等於一萬億分之一秒） ，對應的用戶測距誤差小於1厘米。”帥濤告訴解放日報•上觀新聞記者，這就意味著，如果開車時衛星切換了星上原子鐘，用戶完全察覺不到導航定位信號發生了改變。

為適應下一代高集成度導航衛星發展需要，研究團隊在保證性能指標的同時，把氫鐘重量減輕了一半左右。第一代星載氫鐘24公斤，今年剛完成研製的只有13公斤，功耗也降低了10%左右。未來，除了用於導航衛星，氫鐘還將用於空間甚長基線乾涉測量等科學實驗。

從2002年啟動星載氫鐘的研製，到2015年首台星載氫鐘上天應用，上海天文台研製團隊走過了一段不短的路。特別是在早期星載氫鍾鑒定產品和正樣產品研發的那段日子，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，繼續往前走。”