原子钟是北斗导航卫星的“心脏”，直接决定了导航定位精度。若卫星存在十亿分之一秒（1纳秒）的时间误差，则会产生0.3米的测距误差。作为新一代北斗导航卫星的三项关键技术之一，中科院上海天文台研制的被动型星载氢原子钟，1千万年才误差一秒，日前获得2019年上海市科技进步一等奖。
已研制完成多台北斗组网卫星氢钟
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。GPS、格洛纳斯、北斗和伽利略等四大全球导航系统的卫星均配置了高性能原子钟，包括铷钟、铯钟和氢钟。其中，氢钟同时具备频率稳定性好和漂移率小的特点，对导航信号精度的提升非常有益。
作为一种精密的计时器具，氢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，而氢钟数百万年甚至1千万年才有1秒误差。”北斗三号卫星星载氢钟项目负责人、上海天文台帅涛研究员嚯。
目前，国外仅欧洲伽利略卫星配置了星载氢钟，与我国星载氢钟相比，两者地面测试性能相当，但从在轨综合表现来看，我国星载氢钟实现的用户测距误差更小。
上海天文台星载氢钟研制团队
上海天文台在时间频率学科方面具有良好的研究基础，自上世纪60年代起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型氢原子钟。针对北斗导航卫星星上应用，上海天文台于2002年启动我国首台星载氢钟的研制。2010年，星载氢钟项目组在中国科学院和北斗重大专项的支持下，联合上海航天电子技术研究所和中科院上海技术物理研究所等单位开展了星载氢钟的工程化研制工作。2015年9月，由上海天文台研制的我国首台星载氢钟随新一代北斗导航卫星上天应用。在北斗三号全球系统建设中，上海天文台已研制完成多台组网卫星星载氢钟，长期预报精度高出星载铷钟一个量级以上，大幅度提升了北斗导航卫星系统的时间基准精度。
核心元器件全部国产化
我国首台星载氢钟首创和突破了多项关键技术，核心元器件全部国产化，实现了导航卫星“心脏”完全自主可控。
氢钟在太空下的工作环境存在一定的温度波动，而电路参数对温度较为敏感。为实现氢钟的长期稳定性，上海天文台研究人员首创了氢钟时分双频调制技术，有效降低了氢钟输出频率对纠偏信号幅相变化的敏感性，使得温度系数指标达到国际先进水平。
研制团队首次在氢钟上应用了原创的电极式微波腔，相比国外的磁控管微波腔重量轻了10%，物理系统信号增益更高，为氢钟高稳定度指标的实现奠定了基础。
如果氢钟在空中突然发生故障怎么办？“不用担心，卫星配置了时频生成与保持系统，可以实现主用原子钟和备用原子钟之间无缝切换，切换前后卫星时间变化小于20皮秒（1皮秒等于一万亿分之一秒），对应的用户测距误差小于1厘米。”帅涛称，这就意味着，如果开车时卫星切换了星上原子钟，用户完全察觉不到导航定位信号发生了改变。
为适应下一代高集成度导航卫星发展需要，研究团队在保证性能指标的同时，把氢钟重量减轻了一半左右。第一代星载氢钟24公斤，今年刚完成研制的只有13公斤，功耗也降低了10%左右。未来，除了用于导航卫星，氢钟还将用于空间甚长基线干涉测量等科学实验。
从2002年启动星载氢钟的研制，到2015年首台星载氢钟上天应用，上海天文台研制团队走过了一段不短的路。特别是在早期星载氢钟鉴定产品和正样产品研发的那段日子，每天加班2、3个小时是“家常便饭”，仿真分析、试验验证、改进提升、迭代验证，一次次修改，一次次完善。“也会有烦躁的时候，但只要有一丁点进展，大家都会兴奋好几天，彼此鼓励着，继续往前走。”