聊一聊，北斗卫星星载原子钟的作用是什么？

  小伙伴们，又到了涨知识的时候啦，这次，我们来简单聊一下原子钟到底在北斗卫星导航系统里面的作用是什么？来来来，端好凳子，我们开讲啦！

  星载原子钟是北斗导航卫星的最关键载荷之一，是时频分系统的心脏，可为卫星系统提供高稳定的时间频率型号，其性能决定了导航系统定位、测速及授时的精度。理论上如果钟的精度提高，导航精度也会改善。

北斗系统采用的星载原子钟（氢原子钟）                  

  现在原子钟的精度可以达到每100万年误差不超过1秒。这为天文、航海、宇宙航行、卫星导航等提供了强有力的保障。美中不足的是，原子都有热运动，常温下大概没秒几百米。这使得原子和电磁波的作用时间太短，导致得到的与阿奴自钟精度不高，也就到纳秒量级，就是目前GPS和北斗卫星上正常使用的原子钟。

  卫星导航都依赖原子钟，因为只有原子钟能够在足够小的体积内实现由于1纳秒的精度。但是现在的导航卫星，无论是GPS还是北斗，都使用普通原子钟，也可以成为热原子钟（相对冷原子钟而言）。其基本原理是利用特殊原子（如氢原子、铷原子、铯原子）的摸个特定跃迁频率，这个频率有极高的稳定性，精度可以到皮秒甚至飞秒，但是原子的这个跃迁频率不能直接使用，需要通过电磁波与原子相互作用，间接地用电磁波吧这个频率导出来，这是原子钟的基本原理。

  无线电导航的基本原理是测量信号传播的时间延迟或时差，间接的实现距离测量。卫星导航系统是无线电导航的一种，也是精确测量微博信号从卫星走到你跟前所用的时间，再乘以光速就可以得到天上的卫星和你之间的精确距离。导航卫星距离地球2-4万多千米，导航信号达到地面时易经理非常微，卫星导航采用伪随机编码技术生成测距信号，用户通过码相关技术，提取出测距信号从卫星到用户传播的时间延迟，从而形成伪距测量值，若他同时测量4颗及以上卫星，就可进行导航定位。

  对于单星的时差测量，1微秒的测量误差，则距离误差约为0.3米。若卫星钟之间的偏差位置，也无法实现导航定位。因此，不同卫星之间也需要时差测量或时间同步，以确保整个卫星导航系统在同一时间基准下协调工作。为确保不间断的连续服务能力和星载钟在亚微秒精度小的预报能力，必须选用高精度的原子钟作为星载电子设备的基准信号源。从某种意义来讲，星载原子钟的性能，是导航服务性能的重要决定因素之一，也是北斗导航系统初期建设的瓶颈问题。

  卫星导航对原子钟和时频技术来讲有巨大的牵引、驱动作用。导航系统既需要准确度高的基准原子钟，也需要稳定度非常高的守时原子钟，同事还需要可靠性高，小型化、低功耗的星载原子钟，针对不同的应用，钟的性能指标和使用方法也不尽相同，因此原子钟和时频技术是整个北斗导航系统的贺信组成部分。

   铷原子钟和铯原子钟各有特色，铷原子钟造价比较低，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两个都好，适合用于导航卫星时间维持。

当前全球四大卫星导航系统

  当前全球四大卫星导航系统中，美国GPS导航卫星采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式，欧盟Galileo导航卫星采用了铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式，俄罗斯GLONASS-K三代导航卫星也将采用铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式，我国新一代北斗导航卫星正在开展铷原子钟和被动型原子钟结合的方式的研究。

  星载原子钟是导航卫星的主要有效载荷，对星载原子钟不仅有精度要求，还有极高的可靠性和寿命要求。长期以来，中国星载原子钟的研制备受海内外业界人士关注。目前发射的北斗导航卫星星载原子钟已经全部实现国产化。在轨测试结果表明，进口钟和国产钟指标相当。但从世界范围来看，星载原子钟的指标一直在改善，所以星载原子钟的研制是一项长期的任务。