文　张 闻

　　精准地计量时间，远比我们想象中要重要得多。如果一天的计时误差超过千分之一秒，那么通信网络、交通、金融系统就会陷入混乱；如果一天的计时误差超过十万分之一秒，那么导航定位系统就无法实现准确定位。像北斗卫星导航系统这样的国之重器到底是靠什么来精密地计量时间呢？答案就是原子钟。

　　近期，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员梅刚华带领团队研制出新款铷原子钟，测得秒级频率稳定度为9E-14（1E-14为百万亿分之一），百秒级频率稳定度为9E-15。这是目前国际上最高的铷原子钟短期稳定度指标。相关成果发表于国际期刊《电气与电子工程师学会仪器与测量汇刊》。

揭秘原子钟

　　从古至今，时间计量工具一直随着科技的发展在不断更新。从日晷和沙漏，再到机械钟、石英钟，时间计量的精准度，代表着每个时代科技的最高水平。而早在20世纪30年代，美国物理学家伊西多·拉比就提出了原子钟的概念。这一概念提出不久后，世界上第一台原子钟在美国面世。随后，美国、苏联、英国等国又发明了更为精准的原子钟。

　　那么，原子钟到底是什么？事实上，原子钟是利用量子特性发明的时钟，它既没有指针也没有齿轮，有的长得就像一个大桶，有的像一个盒子。它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量，却不能直接显示钟点。1967年，在第十三届国际计量大会上，人们用铯原子跃迁的9192631770个周期定为1秒。此后，原子钟便成了世界上通行的精准计时工具。

　　为什么原子钟被称为导航卫星的“心脏”呢？事实上，对于导航卫星的运行，天地间时间越同步，误差越小，定位的精度就越高。若时间误差达到整整1秒，测距误差将达到30万公里。而原子钟的失灵对于导航卫星来说堪称灭顶之灾。2016年，印度第一颗导航卫星里的3台计量时间的钟相继失效，导致印度导航系统无法正常运行。而欧洲的伽利略卫星导航系统此前在轨运行的卫星中，也曾一度出现时间钟故障，导致长达一周无法给用户提供导航服务。由此看来，原子钟对于导航卫星的运行至关重要。

北斗导航卫星的高精度铷钟

　　20世纪90年代，我国的北斗卫星导航系统工程立项。核心技术难点就在于原子钟的研发。特别是星载铷原子钟的研发，更是摆在我国科研人员面前的一大难题。

　　铷原子钟具备体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长且制造成本低等优势，是目前应用最广的原子钟，在卫星导航、通信、电力、金融等领域均有应用。据航天科技集团五院西安分院铷钟产品责任人屈勇晟介绍，铷钟的稳定度直接关乎导航卫星的定位、测速和授时功能的精度，铷钟的质量和可靠性直接决定着导航卫星的成败，是北斗卫星上十分关键的载荷产品。

　　当时，掌握星载铷原子钟技术的国家只有美国和瑞士。在这一背景下，1997年梅刚华带领团队开始致力于铷原子钟的研究，先后研制出三代具有完整自主知识产权的星载铷原子钟，批量装备于北斗导航卫星。值得一提的是，他和团队于2006年研制成功的第三代星载铷原子钟，秒稳定度为7E-13，创造了当时铷原子钟频率稳定度的国际纪录。

　　2020年，我国新一代北斗三号全球卫星导航系统正式开通。北斗三号卫星上采用了我国自主可控的更高稳定度、更精准的新型铷原子钟和氢原子钟，实现了卫星时频基准性能的大幅提高。

　　如今，梅刚华团队研制的新型铷原子钟，秒级频率稳定度指标再次刷新国际纪录。他表示，此次技术突破，有助于发展高品质微波振荡器技术和研制新一代北斗系统星载原子钟。

　　可以预见的是，在越来越精准的原子钟支撑下，我们也必将实现更精确的定位，北斗卫星导航系统也将运行得更加稳定。

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