上次和大家聊到北斗全球組網第55顆衛星組終於完成發射的動作，以及在發射到第30顆衛星的時候，我們突然改變了原先的發射計劃。其中一個非常重要的原因就是我們所採用的銣原子鐘是進口的，我們非常擔心在這個技術點上被國際“友人”卡了脖子。於是才有了後面自主研發的氫原子鐘取代了原來進口的銣原子鐘。那麼到底這個原子鐘為什麼會在整個北斗計劃中占到這麼重要的一個地位，小編和大家一起來看看這神秘的原子鐘到底是什麼樣的東西。以及為什麼我們的科研人員會選擇走氫原子鐘這條路線。
首先我們來看下世界上第一款商業用芯片級的原子鐘 Symmetricon的CSAC。沒錯這個只有硬幣大小的微型設備就是一款原子鐘，世界上最精確的原子鐘每1.38億年才延遲大約一秒。
我們一起看下原子鐘的工作原理。我們從一些顯而易見的現實物體開始來理解原子鐘的原理，小編就拿果凍來做比喻吧。一塊果凍，你輕輕推一下它，它會來回擺動，就像鐘擺一樣，果凍的振動周期是固定的，當然了，果凍是不適合用來造原子鐘，我們只是拿它來做個比喻。在原子鐘裡面有一塊和果凍長得差不多的石英塊，如果我們用一股電流來觸發石英，那麼石英每秒大約能振盪500萬次，它保持9萬年誤差一秒。這樣的精度，是足夠高的。隨着石英的振動變慢它開始越走越慢，需要重新"推”一下來恢復振動，這就要原子鐘里的“原子“來發揮作用了。那麼”原子“是如何來推動石英的呢？
每當石英的振盪略微減小的時候，我們在合適的時機進行一次電擊，所以基本上振動永不衰減。讓我們來看看，用於銫原子是怎麼做到的。純淨的銫原子大多以兩個稍有不同的狀態存在。一種能量低，一種能量稍微高那麼一點。這兩個能級是做原子鐘至關重要的要素。其一，是它們只用磁場就可以分開；其二，是如果我用適量的輻射來轟擊銫原子，那麼較低能量的原子可以激發為較高能量的。工程師們將石英振動的減緩與轟擊輻射的波長聯繫起來形成反饋迴路。那麼這又是怎麼做到的呢？
首先工程師們在加熱器中加熱氯化銫產生氣態的銫離子，在這股離子束中，既有低能的也有高能的。首先工程師們在磁場中將離子束中的兩種銫離子分開，把高能的都捨棄了，只留下低能離子進入諧振腔，在諧振腔中工程師們用合適波長的輻射把低能離子激發到高能。什麼是諧振腔呢？光學諧振腔是光波在其中來回反射從而提供光能反饋的空腔，是激光器的必要組成部分。通常由兩塊與工作介質軸線垂直的平面或凹球面反射鏡構成。工作介質實現了粒子數反轉後就能產生光放大。諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制。在這裡大家只要知道諧振腔是用來把低能離子激發到高能用的。
這些氣態離子在離開諧振腔後再通過另一個磁場，而這次捨棄低能離子讓高能離子引向探測器，探測器把收到的離子轉換為電流，電流從檢測器連接到石英振盪器。當石英的振盪衰減也就是速度減緩的時候，轟擊諧振腔里銫離子的能量改變，從而更少的高能離子離開諧振腔。所以電流會就減少甚至停下。這裡就完美地形成了一個閉環。就是告訴了電子設備應該"切斷"石英振盪器並校正振盪周期，它通過加適當的電壓，通過壓電效應 ，輕擊石英從而可以恢復振盪。從而就造出求了一個百萬年損失不到1秒的原子鐘。
那原子鐘是怎麼讓北斗和全球定位系統(GPS)運轉的呢？為什麼離開了原子鐘，北斗和GPS就無法正常運作呢？
這裡拿GPS來說，全球定位系統由24個繞着地球的衛星組成，一個GPS接收器通過四個衛星進行定位，一個用來校正接收器的時間，另外三個用來確定接收器的位置。它的原理是這樣的，從第一個衛星發射一個信號到接受器上，這個信號有衛星的位置和信號出發的時間，接收器再把信號傳輸的時間乘上光速，得到其距衛星的距離。接收器通過一個衛星，就可以知道自己在與衛星為圓心，剛才計算的距離為半徑的球上，再對第二個衛星做類似的計算，這兩個球的相交面，將接收器的範圍縮小到了圓周上，再用第三個衛星接收器就可以將位置鎖定到一點。因為信號以光速進行傳播，所以僅—毫秒的誤差就意味着差幾百公里，但要是有原子鐘的精度。接收器可以精確地定位到1米內。這就是為什麼原子鐘對於北斗和GPS這樣的定位系統來說，是不可替代的存在。
那麼我們再來聊下，我們15年9月30號在西昌衛星發射中心成功發射的，搭載中國首台氫原子鐘的第四顆新一代北斗導航衛星，和此前發射的北斗導航衛星搭載的的銣原子鐘衛星，究竟有什麼區別呢？
目前，技術發展成熟的3樣原子鐘，分別是氫、銣、銫原子鐘。其中銣原子鐘應用最廣泛，因為優勢最明顯，具有體積小重量輕、功耗低、技術難度相對較低、可靠性高，但他也有很致命的弱點，長期穩定度和漂移率指標相對較差。而在15年首發的上海天文台自主研發的星載氫原子鐘氫，相較於銫原子鐘則更具優勢。氫原子鐘分為主動型和被動型兩種類型，主動型穩定度指標最優，但是體積較大;被動型體積、重量和功耗相對較小，可搬運，穩定度指標僅次於主動型。另外，被動型氫原子鐘因其獨有的選態組件和儲存泡結構特性，使得其可獲得較為理想的原子躍遷譜線，使其穩定度指標在傳統3樣中最優，當然研製難度也是氫、銣、銫原子鐘中最高的。其漂移率雖不及優選型銫原子鐘，但可保障導航系統長達半年以上的自主導航能力，這使得氫鍾成為衛星導航中最具有競爭力的原子鐘。
目前來說，全球四大衛星導航系統中，美國的GPS導航衛星採用了銫原子鐘和銣原子鐘結合的方式;歐盟的伽利略導航衛星採用了銣原子鐘和被動型氫原子鐘結合的方式;俄羅斯Glonass-K三代導航衛星也將採用銣原子鐘和被動型氫原子鐘結合的方式。
縱觀全球導航系統的實力變化，2019年7月14日，受與地面基礎設施相關的技術問題影響，伽利略系統的初始導航和計時服務暫時中斷。這個事件基本標誌了伽利略系統在4個全球導航系統競爭中已經是吊車尾了，話說當年伽利略建設時候，歐洲還吸納了中國加入，中國因此投入了3.2億歐元的資金。後因美國的壓力，歐洲在2006年就逼迫中國退出。作為第三代的俄羅斯Glonass-K，整個19年也僅僅發射了一顆，而僅僅19年，北斗衛星就從44號發射到了53號。目前擺在我們面前的就只剩下GPS。讓我們拭目以待吧。
