上次和大家聊到北斗全球组网第55颗卫星组终于完成发射的动作，以及在发射到第30颗卫星的时候，我们突然改变了原先的发射计划。其中一个非常重要的原因就是我们所采用的铷原子钟是进口的，我们非常担心在这个技术点上被国际“友人”卡了脖子。于是才有了后面自主研发的氢原子钟取代了原来进口的铷原子钟。那么到底这个原子钟为什么会在整个北斗计划中占到这么重要的一个地位，小编和大家一起来看看这神秘的原子钟到底是什么样的东西。以及为什么我们的科研人员会选择走氢原子钟这条路线。
首先我们来看下世界上第一款商业用芯片级的原子钟 Symmetricon的CSAC。没错这个只有硬币大小的微型设备就是一款原子钟，世界上最精确的原子钟每1.38亿年才延迟大约一秒。
我们一起看下原子钟的工作原理。我们从一些显而易见的现实物体开始来理解原子钟的原理，小编就拿果冻来做比喻吧。一块果冻，你轻轻推一下它，它会来回摆动，就像钟摆一样，果冻的振动周期是固定的，当然了，果冻是不适合用来造原子钟，我们只是拿它来做个比喻。在原子钟里面有一块和果冻长得差不多的石英块，如果我们用一股电流来触发石英，那么石英每秒大约能振荡500万次，它保持9万年误差一秒。这样的精度，是足够高的。随着石英的振动变慢它开始越走越慢，需要重新"推”一下来恢复振动，这就要原子钟里的“原子“来发挥作用了。那么”原子“是如何来推动石英的呢？
每当石英的振荡略微减小的时候，我们在合适的时机进行一次电击，所以基本上振动永不衰减。让我们来看看，用于铯原子是怎么做到的。纯净的铯原子大多以两个稍有不同的状态存在。一种能量低，一种能量稍微高那么一点。这两个能级是做原子钟至关重要的要素。其一，是它们只用磁场就可以分开；其二，是如果我用适量的辐射来轰击铯原子，那么较低能量的原子可以激发为较高能量的。工程师们将石英振动的减缓与轰击辐射的波长联系起来形成反馈回路。那么这又是怎么做到的呢？
首先工程师们在加热器中加热氯化铯产生气态的铯离子，在这股离子束中，既有低能的也有高能的。首先工程师们在磁场中将离子束中的两种铯离子分开，把高能的都舍弃了，只留下低能离子进入谐振腔，在谐振腔中工程师们用合适波长的辐射把低能离子激发到高能。什么是谐振腔呢？光学谐振腔是光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔，是激光器的必要组成部分。通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质实现了粒子数反转后就能产生光放大。谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。在这里大家只要知道谐振腔是用来把低能离子激发到高能用的。
这些气态离子在离开谐振腔后再通过另一个磁场，而这次舍弃低能离子让高能离子引向探测器，探测器把收到的离子转换为电流，电流从检测器连接到石英振荡器。当石英的振荡衰减也就是速度减缓的时候，轰击谐振腔里铯离子的能量改变，从而更少的高能离子离开谐振腔。所以电流会就减少甚至停下。这里就完美地形成了一个闭环。就是告诉了电子设备应该"切断"石英振荡器并校正振荡周期，它通过加适当的电压，通过压电效应 ，轻击石英从而可以恢复振荡。从而就造出求了一个百万年损失不到1秒的原子钟。
那原子钟是怎么让北斗和全球定位系统(GPS)运转的呢？为什么离开了原子钟，北斗和GPS就无法正常运作呢？
这里拿GPS来说，全球定位系统由24个绕着地球的卫星组成，一个GPS接收器通过四个卫星进行定位，一个用来校正接收器的时间，另外三个用来确定接收器的位置。它的原理是这样的，从第一个卫星发射一个信号到接受器上，这个信号有卫星的位置和信号出发的时间，接收器再把信号传输的时间乘上光速，得到其距卫星的距离。接收器通过一个卫星，就可以知道自己在与卫星为圆心，刚才计算的距离为半径的球上，再对第二个卫星做类似的计算，这两个球的相交面，将接收器的范围缩小到了圆周上，再用第三个卫星接收器就可以将位置锁定到一点。因为信号以光速进行传播，所以仅—毫秒的误差就意味着差几百公里，但要是有原子钟的精度。接收器可以精确地定位到1米内。这就是为什么原子钟对于北斗和GPS这样的定位系统来说，是不可替代的存在。
那么我们再来聊下，我们15年9月30号在西昌卫星发射中心成功发射的，搭载中国首台氢原子钟的第四颗新一代北斗导航卫星，和此前发射的北斗导航卫星搭载的的铷原子钟卫星，究竟有什么区别呢？
目前，技术发展成熟的3样原子钟，分别是氢、铷、铯原子钟。其中铷原子钟应用最广泛，因为优势最明显，具有体积小重量轻、功耗低、技术难度相对较低、可靠性高，但他也有很致命的弱点，长期稳定度和漂移率指标相对较差。而在15年首发的上海天文台自主研发的星载氢原子钟氢，相较于铯原子钟则更具优势。氢原子钟分为主动型和被动型两种类型，主动型稳定度指标最优，但是体积较大;被动型体积、重量和功耗相对较小，可搬运，稳定度指标仅次于主动型。另外，被动型氢原子钟因其独有的选态组件和储存泡结构特性，使得其可获得较为理想的原子跃迁谱线，使其稳定度指标在传统3样中最优，当然研制难度也是氢、铷、铯原子钟中最高的。其漂移率虽不及优选型铯原子钟，但可保障导航系统长达半年以上的自主导航能力，这使得氢钟成为卫星导航中最具有竞争力的原子钟。
目前来说，全球四大卫星导航系统中，美国的GPS导航卫星采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式;欧盟的伽利略导航卫星采用了铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式;俄罗斯Glonass-K三代导航卫星也将采用铷原子钟和被动型氢原子钟结合的方式。
纵观全球导航系统的实力变化，2019年7月14日，受与地面基础设施相关的技术问题影响，伽利略系统的初始导航和计时服务暂时中断。这个事件基本标志了伽利略系统在4个全球导航系统竞争中已经是吊车尾了，话说当年伽利略建设时候，欧洲还吸纳了中国加入，中国因此投入了3.2亿欧元的资金。后因美国的压力，欧洲在2006年就逼迫中国退出。作为第三代的俄罗斯Glonass-K，整个19年也仅仅发射了一颗，而仅仅19年，北斗卫星就从44号发射到了53号。目前摆在我们面前的就只剩下GPS。让我们拭目以待吧。
