（電子發燒友報道 文/周凱揚）8月3日，北斗三號全球衛星導航系統正式開通。近10年來，我國衛星導航與定位服務的總產值的年復合增長率達到20%以上，2019年達到了3450億元，而今年有望突破4000億元大關。專為北斗導航服務的28nm SoC芯片也已量產，22nm工藝的芯片量產也即將被提上日程。

北斗三號最后一顆全球組網衛星成功發射 / 北斗衛星導航

中國衛星導航系統管理辦公室主任、北斗衛星導航系統新聞發言人冉承其稱通過技術攻關，北斗三號衛星已經實現了核心器部件國產化率100%，這其中就包含了星載氫原子鐘和銣原子鐘。

原子鐘

人們日常使用的鐘表每年都會產生1分鐘左右的誤差，對于嚴苛的生產和科研環境，普通的計時工具再也無法滿足人們的需求，原子鐘也因此應運而生。原子鐘是利用原子吸收或釋放能量時發出的電磁波計時，因為該電磁波的穩定性，加之精密儀器的控制，其精度可至每2000萬年誤差1秒。

不同原子鐘的穩定性對比

目前常用的原子鐘元素有氫、銫和銣。從頻率穩定性上來比較，銫鐘優于銣鐘，而氫鐘的穩定性最高，但追求穩定性往往意味著需要付出能耗、體積以及老化的代價。

作為高精度且穩定的計時工具，原子鐘常用于電臺、廣播與網絡的報時服務，國際時區的調整以及作為儀器校準的外部時基，但近年來用途更為廣泛的功能，還是提高全球衛星導航系統的定位精度。

備戰全球衛星導航系統（GNSS）

衛星導航系統最關鍵的一大功能就是測距，其原理是通過測量電磁波的傳播時間來計算距離，但由于電磁波以光速傳播，準確測量就需要極其精確的計時設備，哪怕存在1納秒的時間誤差，測量距離都會出現0.3米的偏差。而太空環境下對穩定性的要求更高，因此原子鐘自然成了不二之選。

全球衛星導航系統概況 / 電子發燒友網整理

目前全球主導的衛星導航系統有美國的GPS（全球定位系統）、俄羅斯的GLONASS（格洛納斯）、歐盟的GALILEO（伽利略）以及中國的北斗。這四大系統中，GPS的每顆衛星至少包含兩個銫原子鐘和兩個銣原子鐘；歐盟的伽利略導航則采用了銣原子鐘和被動型氫原子鐘結合的方案，每顆衛星搭載兩個被動式氫原子鐘和兩個銣原子鐘。

伽利略所用被動型氫原子鐘 / Galileo

中國建立自研的衛星導航系統的路途可謂曲折，2000年到2003年，我國陸續發射了三顆實驗性質的北斗導航衛星。03年間，中國加入了歐盟的伽利略導航系統項目，并投資了2.3億歐元，但自06年起，歐盟聯合美國開始排擠中國對該計劃的參與，中國只好將精力重新轉回到北斗系統上來。

為了與同步開發的伽利略競爭衛星導航的頻率資源，07年升空的北斗二號首發星第一次搭載了國產化的銣鐘。2012年后的北斗二號衛星中，國產銣原子鐘也實現了全面替代。北斗三號的星載氫原子鐘由中科院上海天文臺研制，據地面測試來看，與伽利略衛星的星載氫鐘性能相當，但在軌表現上，我國的星載氫鐘在用戶測距上的誤差上更小，其長期預報精度高出星載銣鐘一個量級以上。

說完了國家級別的原子鐘，我們不妨來看看商用級別的原子鐘詳細性能如何。

Microchip

SA.45s 太空級芯片原子鐘（1.6” x 1.39” x 0.45”） / Microchip

Symmetricom是一家老牌原子鐘廠商，其產品涵蓋氫鐘、銣鐘和銫鐘，以及微型原子鐘和芯片級原子鐘，同時也是全球供應商用銫鐘的僅有兩家廠商之一，另一家是瑞士的Oscilloquartz。Symmetricom于2013年被Microsemi收購，后者又在2018年被Microchip收購。上圖是SA.45s，一款太空級的芯片原子鐘，其面積大小和一枚硬幣相差無幾。但物理尺寸不是該原子鐘的唯一優勢，SA.45s的功耗低于120mW，耐受20krad的輻射，短期穩定性可達3.0 x 10-10，長期老化率小于9x10-10/月?；谄涑叽?、質量和性能上的優勢，配以較低的成本，該原子鐘非常適合近地軌道（LEO）的商用衛星應用。

MHM 2020主動型氫鐘 / Microchip

被動型氫鐘主要靠外部提供的1.420GHz頻率使微波腔體振蕩，而在主動型氫鐘中，主要靠微波腔體自身的振蕩，這就需要更高的氫原子密度和更高的微波腔Q值，因此主動型氫鐘也更昂貴，單價往往在20萬美元以上。但主動型氫鐘具有更好的短期和長期頻率穩定性，就拿Microchip的MHM 2020來說，該主動型氫鐘是對MHM2010產品的重新設計，可以實現3x10-16的日漂移率，適合甚長基線干涉測量（VLBI）等應用，從而輔助探測衛星任務和天文觀測。

KVARZ

CH1-95主動型氫原子鐘 / KVARZ

KVARZ是俄羅斯最大的無線電電子測量儀器的開發和制造商，CH1-95是該公司最新推出的主動型氫原子鐘。該氫鐘的頻率精度可至±5x10-13/年，日漂移率小于5x10-16，頻率的溫度系數為±1.5x10-15/℃。該產品可用于頻率參考源，全球定位/衛星導航（GPS/GNSS），深空追蹤，甚長基線的干涉測量和陣列（VLBI/VLBA）等場景，KVARZ稱本產品已經交付給多個國家的大學、天文臺和計量中心。

上海天文臺

上海天文臺研制的地面主動型氫原子鐘已經在北斗的地面系統中廣泛應用。經歷研發人員多年的技術攻關后，首創了氫原子鐘的時分雙屏調制技術，降低了輸出頻率對糾偏信號幅相變化的敏感性，使原子鐘的核心性能指標達到了國際水準。不僅如此，該氫原子鐘首度應用了電極式微波腔，有效提高微波腔Q值和原子躍遷信號強度。同時上海天文臺的被動型星載氫原子鐘在北斗系統中作為主鐘使用，在軌天穩定度和漂移指標達到了小系數E-15量級，在保證性能的同時，新一代氫鐘從初代的24公斤減重至13公斤，同時降低了10%的功耗。

天奧電子

除了中科院上海天文臺和武漢物數所研制的國家級原子鐘外，成都天奧電子也在研發自己的銣原子鐘、銫原子鐘和CPT原子鐘，主打產品為高精度的銫原子鐘。2018年第二十屆中國國際工業博覽會上，天奧電子展示了我國自研的首臺銫原子鐘TA1000，并指出這也是郭繼山第一臺激光小型銫原子鐘。在回答投資者提問時，天奧電子還提到北斗三號也應用了該公司的原子鐘。

小結
全球導航還不是原子鐘的最大潛力，中國國家宇航局和NASA現在已經開始展望應用于深空探索的原子鐘部署，幫助太空任務更好實現定位和著陸。從原子鐘的開發進度和成果來看，我國依然維持在世界領先水準，但我們仍需要看到更多的商業運用場景，隨著未來政策和技術進一步開放，相信國內也能涌現SpaceX這樣的太空探索技術公司。

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