专家详解导航卫星的“心脏”——原子钟

前不久，中国航天科工集团公司传来喜讯，该集团二院203所启动汞离子微波钟研制。作为新一代原子钟，它有望应用于下一代北斗导航卫星。

有人可能会犯迷糊：原子钟是什么钟，跟导航有什么关系？203所星载氢钟主管设计师王文明告诉科技日报记者，原子钟就是导航卫星的心脏。

从根本上说，导航的核心就是时间测量。王文明说，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，通过测量我们与星座间的距离，就能解算出我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。

在卫星导航系统中，1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差将导致0.3米的距离误差。要实现如此精密的时间测量，只有原子钟能做到。王文明说，原子钟是通过原子这一微小量子构件，实现普通钟表一般的嘀嗒声。不同的是，这种嘀嗒更均匀，表现为一种电磁波形式，通常听不见，只有通过微波信号处理技术才能输出。

如何让原子钟的精密测量为我们所用？王文明举例说，跳大绳是大家非常熟悉的运动，当有人进入匀速摇动的大绳，随着它的节奏跳动，并记录一定时间内跳动的次数，就相当于人为地将这种时间间隔进行了输出。原子内部存在着上下两个能级结构，原子在其间跃迁发出的电磁波精度非常高。如果把原子量子构件比作大绳，当我们往里注入一个电磁波，让电磁波与原子二能级发生共振，就能将产生电磁波的振荡器锁定到原子二能级跃迁频率上。振荡器输出高精度频率信号，即可实现精密时间测量。目前导航卫星中普遍应用的氢、铷、铯原子钟，都是基于这一工作原理。

在当前全球四大卫星导航系统中，美国GPS采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式。欧盟的伽利略、俄罗斯的三代格洛纳斯以及我国正在建设的北斗三号，均采用铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式。

在老三样原子钟里，铷原子钟具有体积小、重量轻、功耗低、技术难度较低、可靠性高等优势，被四大导航系统普遍采用。2007年，我国自主研制的铷原子钟上天服役，中国人终于有了自己的星载原子钟。科技日报记者从203所了解到，北斗二号导航卫星全部采用铷原子钟。该所共研制了16台星载铷钟，目前均在轨稳定运行。

北斗三号导航系统提出了定位精度0.1米、授时精度0.3纳秒的设计指标，对原子钟稳定度提出了极高要求，即秒稳优于1x10-12、日稳优于1x10-14。考虑到特殊情况的应对，还要求其日漂移率优于5x10-15，以降低系统全球应用时的校时压力和对地面的依赖程度，并保障系统拥有半年以上的自主导航能力。王文明说，铷原子钟在精度上符合指标，但漂移率无法满足中长期自主导航要求；铯原子钟的最大优势是低漂移特性，但其使用寿命是最大短板，其中几项关键技术仍需攻关，目前国际上只有美国掌握。目前203所已经组建星载铯原子钟团队开展研制，期待在后续北斗导航项目中能够配备应用。

氢原子钟分为主动和被动两种类型。主动型稳定度指标最优，但体积较大，一般用于地面守时。被动型的体积、重量和功耗相对较小，稳定度指标仅次于主动型，多用于地面移动平台和卫星。王文明说，被动型氢原子钟凭借独有的选态组件和储存泡结构特性，可获得较为理想的原子跃迁谱线，使其稳定度指标在老三样中最优，但研制难度也最高。其漂移率虽不及优选型铯原子钟，但足以保障导航系统实现半年以上的自主导航，这使它成为目前最具有竞争力的星载原子钟。2015年9月，203所研制的国内首台星载氢原子钟随北斗卫星上天，目前在轨运行正常。