聊一聊，北斗衛星星載原子鐘的作用是什么？

  小伙伴們，又到了漲知識的時候啦，這次，我們來簡單聊一下原子鐘到底在北斗衛星導航系統里面的作用是什么？來來來，端好凳子，我們開講啦！

  星載原子鐘是北斗導航衛星的最關鍵載荷之一，是時頻分系統的心臟，可為衛星系統提供高穩定的時間頻率型號，其性能決定了導航系統定位、測速及授時的精度。理論上如果鐘的精度提高，導航精度也會改善。

北斗系統采用的星載原子鐘（氫原子鐘）                  

  現在原子鐘的精度可以達到每100萬年誤差不超過1秒。這為天文、航海、宇宙航行、衛星導航等提供了強有力的保障。美中不足的是，原子都有熱運動，常溫下大概沒秒幾百米。這使得原子和電磁波的作用時間太短，導致得到的與阿奴自鐘精度不高，也就到納秒量級，就是目前GPS和北斗衛星上正常使用的原子鐘。

  衛星導航都依賴原子鐘，因為只有原子鐘能夠在足夠小的體積內實現由于1納秒的精度。但是現在的導航衛星，無論是GPS還是北斗，都使用普通原子鐘，也可以成為熱原子鐘（相對冷原子鐘而言）。其基本原理是利用特殊原子（如氫原子、銣原子、銫原子）的摸個特定躍遷頻率，這個頻率有極高的穩定性，精度可以到皮秒甚至飛秒，但是原子的這個躍遷頻率不能直接使用，需要通過電磁波與原子相互作用，間接地用電磁波吧這個頻率導出來，這是原子鐘的基本原理。

  無線電導航的基本原理是測量信號傳播的時間延遲或時差，間接的實現距離測量。衛星導航系統是無線電導航的一種，也是精確測量微博信號從衛星走到你跟前所用的時間，再乘以光速就可以得到天上的衛星和你之間的精確距離。導航衛星距離地球2-4萬多千米，導航信號達到地面時易經理非常微，衛星導航采用偽隨機編碼技術生成測距信號，用戶通過碼相關技術，提取出測距信號從衛星到用戶傳播的時間延遲，從而形成偽距測量值，若他同時測量4顆及以上衛星，就可進行導航定位。

  對于單星的時差測量，1微秒的測量誤差，則距離誤差約為0.3米。若衛星鐘之間的偏差位置，也無法實現導航定位。因此，不同衛星之間也需要時差測量或時間同步，以確保整個衛星導航系統在同一時間基準下協調工作。為確保不間斷的連續服務能力和星載鐘在亞微秒精度小的預報能力，必須選用高精度的原子鐘作為星載電子設備的基準信號源。從某種意義來講，星載原子鐘的性能，是導航服務性能的重要決定因素之一，也是北斗導航系統初期建設的瓶頸問題。

  衛星導航對原子鐘和時頻技術來講有巨大的牽引、驅動作用。導航系統既需要準確度高的基準原子鐘，也需要穩定度非常高的守時原子鐘，同事還需要可靠性高，小型化、低功耗的星載原子鐘，針對不同的應用，鐘的性能指標和使用方法也不盡相同，因此原子鐘和時頻技術是整個北斗導航系統的賀信組成部分。

   銣原子鐘和銫原子鐘各有特色，銣原子鐘造價比較低，但精度相對較差；銫原子鐘長時間性能好，比較適合用于地面時間基準；氫原子鐘的短中期性能比前兩個都好，適合用于導航衛星時間維持。

當前全球四大衛星導航系統

  當前全球四大衛星導航系統中，美國GPS導航衛星采用了銫原子鐘和銣原子鐘結合的方式，歐盟Galileo導航衛星采用了銣原子鐘和被動型氫原子鐘結合的方式，俄羅斯GLONASS-K三代導航衛星也將采用銣原子鐘和被動型氫原子鐘結合的方式，我國新一代北斗導航衛星正在開展銣原子鐘和被動型原子鐘結合的方式的研究。

  星載原子鐘是導航衛星的主要有效載荷，對星載原子鐘不僅有精度要求，還有極高的可靠性和壽命要求。長期以來，中國星載原子鐘的研制備受海內外業界人士關注。目前發射的北斗導航衛星星載原子鐘已經全部實現國產化。在軌測試結果表明，進口鐘和國產鐘指標相當。但從世界范圍來看，星載原子鐘的指標一直在改善，所以星載原子鐘的研制是一項長期的任務。