星載原子鐘的案例
導航衛星時頻系統發展綜述
目前，GPS、Galileo、GLONASS以及我國的北斗衛星導航系統均在星上配置了高精度時頻系統，通過在每顆衛星配置高性能的星載原子鐘和功能豐富的時頻生成與保持設備，為衛星導航載荷提供高精度、平穩可靠的時頻參考信號。隨著衛星導航系統定位精度和自主運行能力的不斷提升，對星載時頻系統的性能也提出了更高的要求。
本文首先介紹了目前應用于各衛星導航系統中的星載時頻關鍵技術，然后討論了面向未來精度提升和系統自主運行能力提升需求下星載時頻系統關鍵技術和可能的發展路徑。
1 導航衛星時頻系統關鍵技術
導航衛星時頻系統由多臺原子鐘和時頻生成與保持單元組成。星載原子鐘輸出穩定度極高的頻率信號，時頻生成與保持單元將原子鐘的頻率轉換為衛星載荷需要的頻率，常為10.23MHz，并進行原子鐘主備份輸出信號間的高精度測量和鐘差參數精密調整，為導航衛星有效載荷提供性能優良、平穩可靠的基準時間頻率信號。
1.1 星載原子鐘
時間(頻率)是7個基本物理量中計量精度最高的，這得益于原子鐘技術的不斷發展。原子鐘是利用原子在微波、光波段的電子躍遷頻率作為基準產生的時間保持系統。原子鐘是現代導航衛星的基礎，各衛星導航系統均配置了星載原子鐘。考慮到原子鐘在星載應用中對體積、質量、功耗、可靠性和壽命的要求，以及需要非常好的頻率穩定度，目前的星載原子鐘仍以銣鐘、氫鐘和銫鐘為主，通常每顆衛星配置3～4臺原子鐘。
根據系統需求與技術發展基礎，各全球衛星導航系統使用了不同種類的星載原子鐘。
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梁珂巖攝
今年7月以來，北斗三號系統進入高密度組網發射任務期，以每月一次兩星的速度加速實施組網，4個月間成功將8顆北斗三號導航衛星送入預定軌道。根據計劃，后續還將發射兩顆中圓地球軌道衛星和一顆地球同步軌道衛星，于年底前建成基本系統，為“一帶一路”參與國家提供服務。
北斗三號已發射16顆全球組網衛星，將于年底前建成基本系統
北斗衛星導航系統是我國正在建設的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統，可在全球任何地點、任何時間、任何氣候條件下，為用戶提供高精度、高可靠度的定位、測速、授時服務，并兼具特有的短報文通信能力。2012年底正式提供運行服務以來連續穩定運行，系統建設進入全球時代，應用產業呈現快速發展，在國際合作中成為國家名片。
中國衛星導航系統管理辦公室副主任馬加慶表示，在系統建設方面，北斗系統立足國情、富有特色，國際首創混合星座設計，開創導航定位、短報文通信、差分增強融合技術體制。
目前，北斗二號性能穩中有升。系統連續穩定運行，定位精度由10米提升至6米。增加4顆備份衛星，3顆已發射入軌。建設了北斗地基增強系統，形成全國“一張網”，可提供實時厘米級高精度服務。建成全球連續監測評估系統，具備對北斗、GPS、格洛納斯、伽利略四大系統監測評估的能力。
據介紹，北斗三號繼承北斗特色，對標世界一流，增加星間鏈路、全球搜索救援等新功能，播發性能更優的導航信號；發射5顆試驗衛星，星載原子鐘天穩定度達E—15量級，定位精度2.5至5米，較北斗二號提升1至2倍。目前，已成功發射16顆全球組網衛星，年底前再發射3顆衛星，建成北斗三號基本系統。
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原子鐘維持的時間能夠使得經過10億年才累積一秒的誤差。于是我們就考慮將原子鐘搬到天上，接收機端和衛星端同時對表來同步時間，在衛星播發導航信號的時候加入時間標簽，接收機接收到信號時登記接收時刻的時間標簽。兩個時間標簽的差異就是導航信號從衛星天線到地面接收機天線所花費的時間。這個時間乘以光速便就是兩者之間的距離。
時間測量精度對于導航精度的重要不言而喻。經過科學家的艱難探索，目前北斗三號用上的國產星載銣原子鐘，授時精度百億分之三秒（接收機端不是采用衛星端的高精度原子鐘，盡管衛星端衛星鐘的誤差顯著改善，但實際時間比對誤差仍舊較大，需要作為一個待估參數估計）。能夠支持導航系統在定位精度從米級邁向厘米級，甚至于毫米級。
北斗系統作為一個空間服務設施，其建設之初就是為了打破國外的技術壟斷，消除導航服務不能自主可控的風險。在建設過程中，也遇到諸多困難。在國外布設臺站不夠均勻，對衛星定軌難度大，不能及時更新星歷，科學家們利用星間鏈路實現衛星間自主定軌和星間測距來突破國外布站不足的缺點。面對國外高精度原子鐘禁運，科研院所自主研發，突破技術壟斷，為北斗提供一顆更為精確穩定的心臟。北斗雖然在如今還與GPS存在一些差距，但是早已擺脫了GPS一家獨大的束縛，能夠在發揮本系統在亞太優勢的前提下，為全球服務能夠有利支撐和保障。
北斗一代，北斗二代，北斗三代，衛星一代一代更新，一代一代突破，希望“中國的北斗”成為中國的驕傲，“世界的北斗”服務全球，“一流的北斗”推動人類的發展。
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