1000萬年誤差僅1秒！上海天文台這一技術獲上海市科技進步一等獎

原子鐘是北斗導航衛星的“心臟”，直接決定了導航定位的精度。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制的被動型星載氫原子鐘，1000萬年才誤差1秒。這一技術日前獲評2019年上海市科技進步一等獎。

已經研制多台組網衛星氫鐘

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。

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1000萬年才有1秒誤差。”北斗三號衛星星載氫鐘項目負責人、上海天文台研究員帥濤告訴記者。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年代研制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研制。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制。2015年9月，由上海天文台研制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，上海天文台已研制完成多台組網衛星氫鐘，長期預報精度高出星載銣鐘一個量級以上。

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，實現導航衛星“心臟”完全自主可控。

氫鐘在太空工作環境存在一定的溫度波動，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制技術，有效降低氫鐘輸出頻率對糾偏信號幅相變化的敏感性，使得溫度系數指標達國際先進水平。研制團隊首次在氫鐘上應用了原創的電極式微波腔，比國外的磁控管微波腔重量輕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基礎。

氫鐘在空中突發故障怎麼辦？“不用擔心，衛星配置了時頻生成與保持系統，可實現主用原子鐘和備用原子鐘之間無縫切換，切換前后衛星時間變化小於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0.01米。”帥濤說，這意味著，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，研究團隊在保証性能指標的同時，把氫鐘重量減輕了約一半。第一代星載氫鐘24公斤，今年剛研制出的隻有13公斤，功耗也降低10%左右。

從2002年啟動星載氫鐘研制，到2015年首台星載氫鐘上天應用，上海天文台研制團隊走過了一段不短卻不尋常的路。