原子钟技术：卫星导航系统实现高精度时空基准的关键

时间： 2024-09-06 来源：天工测控官网

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原子钟是卫星导航系统实现高精度时空基准的关键核心部件。当前时空基准均建立在地面，各卫星导航系统依靠地面全球或区域监测站的观测数据精确测定导航星座卫星的轨道和钟差，并通过空间段卫星播发广播星历和钟差(包含在导航电文中)实现高精度时空基准向用户的传递。为实现卫星时间对系统基准时间的精确预报，导航卫星均配置了星载原子钟，主要包括铷原子钟、铯原子钟和被动型氢钟。

星载原子钟研制使用至今已有近50年的历史，且随着卫星导航系统发展和卫星升级性能逐步提升。

星载铷钟以铷原子基态超精细能级跃迁谱线作为鉴频标准锁定晶振的输出频率，具有技术成熟、产品体积小等优势，得到广泛应用。北斗、Galileo卫星配置的星载铷钟，其稳定度达到10^-14/d量级，GPSBlockIII卫星上的铷钟天稳已经达到10^-15量级，性能水平不断提高。

氢钟采用氢原子基态作为钟跃迁，可获得极高的频率稳定度和极低的漂移率。根据不同的技术方案，氢钟分为主动型氢钟和被动型氢钟。Galileo卫星和北斗导航卫星上均配置了被动型星载氢钟，其典型频率稳定度和漂移率分别达到5×10^-15/d和1×10^-15/d，从而使导航卫星具备极好的天尺度守时能力。

铯钟具有漂移率小的优势，可作为天基守时设备。

原子钟为导航系统提供了高精度的时间频率基准，向着精度更高、稳定性更优的方向不断发展演变。同时卫星载荷要求星载原子钟的重量更轻、体积更小、可靠性更高。未来，随着低轨星座卫星互联网的建设，星载铷钟、铯钟和氢钟的性能指标将进一步提升。汞离子钟、冷/热原子微波钟和光钟等精度更高、稳定性更优、体积小、重量轻的新型原子钟也有望随着技术进步迎来快速发展和应用。

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