我国自主研制的北斗卫星导航系统，将于2018年形成面向“一带一路”沿线国家的服务能力，2020年形成全球服务能力。作为北斗全球导航系统的“心脏”，由上海天文台自主研发的星载氢原子钟，国内首次搭载北斗实验卫星，自去年11月9日开机稳定运行至今。

图为上海天文台自主研发的星载氢原子钟   上海天文台提供

根据量子力学原理，原子具有不连续的能量数值，当原子从一个能级跃迁至另一个能级时，其吸收或释放的电磁波频率是固定的，原子钟就是利用原子跃迁产生固定频率的电磁波进行计时的工具。作为一种精密的计时器具，氢原子钟的精度到底有多高？“机械表一天差不多有1秒误差，石英表一天大概有0.1秒误差，而氢原子钟数百万年才有1秒误差。” 星载氢原子钟项目负责人帅涛接受解放日报·上海观察独家采访时说。

为改善导航系统指标，国外主要卫星导航系统都配置了高性能原子钟，如美国GPS卫星配置了铯原子钟和铷原子钟，欧洲伽利略卫星、俄罗斯格洛纳斯卫星配置了氢原子钟和铷原子钟。铷原子钟和铯原子钟各有特色，铷原子钟造价比较便宜，但精度相对较差；铯原子钟长时间性能好，比较适合用于地面时间基准；氢原子钟的短中期性能比前面两个都好，适合用于导航卫星时间维持。

我国北斗局域系统卫星仅配置了铷原子钟，目前其在轨服务能力可满足我国区域导航定位要求；北斗全球系统卫星以提供全球高精度导航定位服务能力为目标，对星载原子钟提出了更高要求。星载氢原子钟稳定程度高，但技术难度大，而且国外对该项技术出口限制非常严格。

上海天文台长期从事时间频率研究工作，上世纪60年代起即承担我国世界时的授时工作，70年代研制出我国首台地面主动性氢原子钟。从2003年开始，天文台启动了星载氢原子钟研究项目。和地面产品使用的原子钟不同，星载氢原子钟除需具备高稳定性、高精度外，还需产品体积小、重量轻、可靠性高，能经受卫星发射期间振动、冲击等力学考验，能适应卫星在轨运行期间的高低温环境和空间辐射环境，并且能在轨连续稳定工作12年以上。

如何让数百公斤重的主动性氢原子钟瘦身，成为科研团队需跨过的一道“坎”。当氢原子钟“瘦”到100多公斤的极限，研究团队果断转向了被动型氢原子钟的研制中。在首席科学家林传富研究员的带领下，团队经过六年的原理探索和技术工程化改造，终于突破了关键技术，完成星载氢原子钟研制所需的各项技术积累，其中电极式微波腔技术、双频电路技术等应用于氢原子钟更是国际首创。

不过，当时的氢原子钟整机依然有35公斤，这对于一颗卫星来说还是太重，而且每重1公斤就会给卫星搭载增加一份重大的负担。经过一次次技术攻关，最后终于成功“瘦身”到25公斤。

由于星载氢原子钟设计精密，系统组成复杂，且航天工程产品研制需较大体量的前期经费支撑，上海天文台星载氢原子钟研究曾一度遇到瓶颈。在中科院协调下，上海天文台与上海技物所、航天八院804所合作，先后完成物理部分和电路部分工程化改造及原理样机研制，使我国氢原子钟技术跨上一个新台阶。

星载氢原子钟课题组最一开始只有2个人，上海天文台协调部分高级职称骨干加入研制队伍。项目组初期拿到的任务较少，经费也紧张，为维护团队稳定，上海天文台连续数年给予团队成员稳定的支持。

为按计划完成产品研制，核心组员长期超负荷工作，人均年加班时间达到700小时，有的组员最长甚至达1100小时。这支被誉为上海天文台最忙碌的团队没有让大家失望，目前已具备每年4台氢原子钟的研制能力。上海天文台领导表示，后续将在现有研究成果的基础上不懈努力，进一步巩固和提升我国星载氢原子钟研究的地位与水平，为北斗全球卫星导航系统的全面建设做出应有贡献。

图为星载氢原子钟课题组成员                      上海天文台提供

题图来源：新华网 图片编辑：雍凯