帅涛　谢勇辉

氢原子钟是利用氢原子跃迁产生的高稳定频率信号进行计时的一种精密仪器，具有优良的频率稳定度，目前已被广泛应用于射电天文观测、高精度时间计量、卫星地面站守时等领域。出于航天技术发展的需要，欧洲、俄罗斯和中国都在积极发展星载氢原子钟技术，为精密空间时间基准提供技术支撑。

2015年9月30日，我国首台星载氢原子钟搭载第4颗新一代北斗导航卫星顺利升空，目前在轨运行情况良好。与北斗一期的星载铷钟相比，星载氢钟的应用使得导航卫星时间基准性能得到大幅提升，为我国北斗系统精密定位及自主导航性能的提升奠定了技术基础。

原子钟及星载原子钟

根据量子力学原理，原子具有不连续的能量值，当原子从一个能级跃迁至另一个能级时，所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的固定频率电磁波进行计时的仪器。

1930年代，哥伦比亚大学拉比（I.I.Rabi）和他的学生在研究原子及原子核的基本性质时揭示了利用量子跃迁实现频率控制的可能性。1955年，英国国家物理实验室（National Physical Laboratory）研制成功世界上第一台铯束原子频率标准装置，与此同时，扎卡赖亚斯（J.R.Zacharias）在美国马萨诸塞理工学院研制成功实用型铯原子钟，并于1956年开始商业化生产。后来在众多科研人员的努力下，逐步完成了铷钟和氢钟的研制，从此进入实用型原子钟的应用时代。随着激光冷却、离子囚禁和激光技术的发展，喷泉钟、离子钟、光钟等新一代原子钟也成为研究热点。

原子钟的出现是人类计时史上的一次革命，它使时间计量标准从来自于传统天文学的宏观领域过渡到源于物理学的微观领域。目前的协调世界时（UTC）是由分布于全世界20多个国家实验室的原子钟相互比对产生的原子时与天文时综合协调而产生的。除时间计量外，原子钟还广泛应用于天文观察、卫星地面站、移动基站等领域，为其提供时间或频率基准。

随着航天技术的发展，原子钟的应用逐步从地面走向太空。上天应用的原子钟可分为空间原子钟和星载原子钟两种。空间原子钟一般用于低轨的空间站进行空间科学试验，空间站对原子钟精度要求高，对其寿命、重量和功耗等要求较低。空间原子钟多为新型原子钟，如欧洲空间局的ACES空间冷铯原子钟，中国科学院上海光机所的空间激光冷却铷原子钟等。星载原子钟一般配置于对时间精度有特定需求的应用卫星，由于卫星功能密度高，服务时间长的特点，通常要求所配置的原子钟重量轻、功耗小、可靠性高、稳定性好。国外的星载原子钟有星载铷钟、星载铯钟和星载氢钟等多种类型，这类原子钟均是地面应用广泛的传统原子钟经工程化改造后实现上天应用的。另外，美国喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）近期完成了星载微波汞离子钟研制，该原子钟的上天应用是星载原子钟的新进展。目前，我国已经上天应用的星载原子钟有铷原子钟和氢原子钟两类，前者由中国科学院武汉物理与数学研究所，中国航天科技集团公司第五研究院西安分院，中国航天科工集团第二研究院203所共同研制；后者由中国科学院上海天文台和中国航天科工集团第二研究院203所共同研制。

卫星导航和卫星时间

导航卫星是星载原子钟的主要应用平台，从一定程度上讲，正是由于在导航卫星上广泛的应用才促进了星载原子钟技术的快速发展。

目前全球卫星导航系统主要有美国的GPS导航系统、俄罗斯的GLONASS导航系统、欧洲的伽利略导航系统和中国的北斗导航系统。四大卫星导航系统的基本原理为，用户终端通过测量空间的四颗及以上卫星的信号到用户终端的距离来计算本地坐标，从而进行定位。由天上的卫星发射的无线电信号，携带有卫星时间和位置，经2万至3万公里的距离到达地面后，由地面终端接收，通过提取卫星信号时间，并将其与本地时间进行求差，可得到信号的传播时间，将该传播时间乘上光速即可得到卫星和地面间距离。由于光速非常高，要精确定位，就要求对时间的测量精度非常高，比如时间测量误差为10纳秒时，对应的空间距离误差就达到3米。日常活动中对定位的要求基本在数米左右，这就需要空间的卫星具有良好的时间保持能力，各个卫星之间的时间差需要保持在数纳秒以内。

为了达到这样的精度，人们对导航卫星配置的时钟单元进行了持续的改进和发展。1960和1970年代，美国的导航技术验证：仅用恒温晶振，卫星的时间保持能力为每天数微秒，定位精度差。其后，随着星载铷钟和星载铯钟的成功研制及应用，导航卫星的时间保持能力达到了每天数十纳秒至数纳秒，系统的定位性能也逐步进入十米。

传统类型的铷钟、氢钟和铯钟，频率稳定性和时间保持能力各有差异。铷钟具有良好的短期稳定性，在从秒至小时的时间段内均能维持纳秒以内的时间精度。在导航卫星应用中，若每小时进行卫星钟差预报模型更新，则仅用铷钟即可实现良好的定位精度。铯钟具有最好的长期稳定性，数天甚至十天以上不进行钟差预报模型更新，铯钟也可以维持十纳秒以内的时间精度。而氢钟具有最好的短期稳定性和中长期稳定性，在从秒至天的时间段内均可保证时间精度维持在纳秒以内。导航卫星除了部分为静止轨道卫星外，大部分均为轨道高度2万公里的中轨卫星，其周期为12小时，若配置氢钟则可以实现每天仅进行1～2次卫星钟差更新，这将大大简化地面系统的操作流程。

和铷钟及铯钟相比，氢钟设计相对复杂，航天工程化难度也较高。早期的GPS导航系统也曾计划配置氢钟，后因工程样机模型未通过地面试验而取消。欧洲伽利略卫星导航系统作为后起之秀，在其第2颗试验卫星上搭载了1台星载氢钟，并于2008年成功发射，实现了最好的导航时间性能。目前伽利略卫星导航系统的每颗卫星配置2台铷钟和2台氢钟，已有十余台氢钟在轨运行。俄罗斯GLONASS导航系统早期配置了铯钟和铷钟，近年来随着其氢原子钟工程化取得突破，氢钟将代替原有的铯钟配置于Glonass-K卫星，并预计在近期实现首飞。中国的北斗局域系统在2012年建设完成，由于卫星仅覆盖中国及周边，故仅通过配置铷钟即实现了预期的定位目标。北斗全球系统配置星载氢钟进行在轨试验，验证了我国自行研制的氢钟的工程可行性和在轨性能，在后续的全球卫星系统建设中，星载氢钟的应用也将改善非静止轨道卫星长时间星历预报精度。

星载氢钟机理及组成简介

氢原子由原子核和一个价电子组成，基态电子总角动量为1/2，核自旋为1/2，因此，氢原子基态有两个超精细能级F₁=0和F₂=1。在外加磁场中，F₂=1的能级分裂为m_F=±1，0三个超精细磁能级，而F₁=0的能级仍为一个。在氢原子振荡器中采用的跃迁为σ跃迁（F=1，m_F=0）<=>（F=0，m_F=0），相应的频率为1420.405751兆赫，由于该频率较高，不便于作为频率基准，实现时通常采用锁相或锁频电路将石英晶振输出的5兆赫或10兆赫频率锁定到该频率上，从而得到高精度的频率信号。

氢原子钟依其工作机理可以分为两种类型，即主动型和被动型。其中主动型氢钟体积较大，可实现自主原子跃迁；被动型氢钟体积较小，需在探测信号的激励下才能发生原子跃迁。为了适应卫星搭载需求，星载氢钟采用了被动型氢钟技术，通过锁频环路实现10兆赫晶振频率锁定至原子跃迁频率，整机由物理部分和电路部分组成。

星载氢钟物理部分由腔泡系统、真空系统、原子置备系统、磁屏蔽系统，以及准直和选态系统等组成。其中腔泡系统包括微波谐振腔、原子储存泡、变容二极管、C场线圈、加热线圈、微波耦合环及支撑结构；真空系统包括真空吸附泵、离子泵以及支撑和密封结构；原子置备系统包括氢瓶、镍管提纯器、电离源、准直器和磁选态器；磁屏蔽系统由各层磁屏蔽及其支撑结构组成。

电路部分主要由主电子学电路和辅助电子学电路组成。主电路部分包括恒温压控晶振、检波电路、隔离放大电路、上变频电路、数字伺服及频综电路；辅助电路部分包括恒温电路、高压电源和恒流源。

星载氢钟物理部分储存约40升氢气，在经镍提纯器提纯后，氢气在电离泡中电离成原子状态。经准直和选态系统，基态高能级的氢原子射入微波谐振腔中的储存泡，将适当频率的微波信号注入微波谐振腔，使腔内产生微波谐振，这样原子在储存泡中就能发生受激辐射，使腔内微波能量增加。通过检测微波谐振腔内的微波能量，可以将电路系统输出的微波信号锁定在原子跃迁谱线上，从而得到具有高稳定度和高准确度的输出信号。此过程需要通过真空系统维持高真空度，磁屏蔽系统屏蔽外部的磁场干扰。

星载氢钟电路部分主要包括两个锁定环路：原子跃迁锁定环路和微波腔伺服控制环路，其主要功能是，将晶振频率锁定至原子跃迁频率，将微波腔频率锁定至晶振频率。单频调制电路是目前普遍采用的方法，把一个共用调制频率信号注入微波腔，利用原子的吸收和色散分离出晶振和腔体两部分误差信号，通过比较误差信号对晶振和微波腔进行锁定。

为了能够保证被动型氢原子钟长期稳定工作，还需要由辅助电子学系统来确保物理部分保持稳定的状态。辅助电子学系统中，恒流源作用于镍提存器，保证稳定的氢气进入系统；恒温电路用以维持物理部分微波腔的温度稳定，从而保证储存泡内氢原子维持恒定的飞行速率；高压电源作用于钛离子泵，实现对真空部分惰性气体、二氧化碳等的吸收。

导航卫星星载氢钟设计技术特点

导航卫星时间由星上原子钟维持，原子钟长期稳定性越好，时间模型更新周期越长。假定频率稳定度指标达到每天10^-14，则对应的原子钟时间变化就小于每天1纳秒，折算为电磁波的距离则是0.3米。此时，即使每天进行一次星上时间更新，也可以满足导航定位需求。若天稳定度降低，在保证相同的时间误差基础上，就需要提高星历模型的更新频率，如8小时或2小时更新一次。星载氢钟的设计以天稳定性为核心指标开展优化工作，以降低对卫星的监测和操作需求，适用于中地球轨道（medium Earth orbit，MEO）和倾斜地球同步轨道（inclined geosynchronous satelliteorbit，IGSO）等导航卫星。

为了适应卫星的发射及在轨应用，星载氢钟在设计上与地面原子钟有较大差异。卫星发射过程中火箭产生的加速度和振动以及卫星和火箭分离时的冲击等力学特性都将作用在星载氢钟上。为了防止氢钟在发射过程中毁坏，星载氢钟在设计时就必须考虑力学加固措施。选择力学性能优良的材料和元器件，优化产品布局和结构设计，并通过仿真分析和试验验证进行反复迭代，直至在地面10倍重力加速度以上的振动和1000倍重力加速度以上的冲击试验下不发生损伤才能进入正样产品的研制阶段。

星载氢钟在轨运行过程中，设备整体处于真空环境，与地面主要靠空气对流进行散热不同，氢钟在星上的散热主要靠传导。大功率元器件的外表面需要直接与金属接触，将热传导至氢钟壳体，再通过卫星散热面辐射至太空。因为物理部分需要维持在恒定温度，所以热设计需要同时考虑散热和控温，以确保其内核微波腔部分的温度变化小于0.02℃/天。此外，星载氢钟通过使用多层镀铝聚酯膜外套来降低星内其他单机的热辐射影响。

空间轨道上高能粒子、质子和电子的辐射环境是航天设备制造面临的最大考验之一。空间辐射的单粒子效应、总剂量效应常会导致电子部件出现错误、工作中断甚至烧毁。星载氢钟作为时间基准设备，若出现中断，则会直接影响导航卫星下发信号的时间特性，导致定位结果不可用。因此，氢钟对于抗辐射的要求也高，在氢钟设计阶段就需要针对各种辐射效应采取有效措施，包括选用高等级抗辐射器件，对数字电路进行错误检测与冗余纠错，核心部件电流监测或限流等措施。通过这些措施，可以最大限度地降低辐射影响，在辐射效应产生时，可实现错误不累积，器件不损坏。对于氢钟的关键部件，还需要通过地面辐照试验检验其抗辐射设计的可靠性。

此外，作为卫星配置的众多单机之一，星载氢钟需要实现与卫星良好的电磁兼容，即氢钟辐射或传导的电磁信号不能影响到卫星，卫星的电磁信号也不能影响到氢钟。氢钟对电磁波、磁场、电源稳定性等要求很高，除了依据规范进行设计外，还需要与卫星平台进行多次联试，有针对性地采用屏蔽、滤波等措施，甚至和卫星平台进行联合设计，以实现氢钟在轨输出信号的稳定性不受影响。

星载氢钟的应用展望

被动型星载氢钟，大小适中，中长期稳定性好，漂移好，符合导航卫星的应用需求。随着越来越多的氢钟随导航卫星上天，导航系统的定位精度和自主运行性能将获益。除了导航卫星，通信卫星、侦察卫星也可通过配置氢钟来提供频率基准，提高相干通信性能或相干测量精度。因为这些卫星功能密度高，多采用小型化卫星平台，所以需要被动型氢钟的体积、重量、功耗等参数进一步降低。

在科学试验方面，用于天文观察的毫米波空间甚长基线干涉测量（very long baselineinterferometry，VLBI）卫星对秒至百秒时间段的稳定性要求极高，需要配置空间主动型氢钟才能满足观察要求。此外，空间主动型氢钟还可以配合空间冷原子钟来提供频率基准，用于时间基准试验及空间授时。

可以预见，在不久的将来，将有越来越多的星载氢钟应用于航天领域，助推航天技术的发展。

关键词：导航系统 原子钟 氢原子钟 导航卫星