原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)實現(xiàn)高精度時空基準(zhǔn)的關(guān)鍵核心部件。當(dāng)前時空基準(zhǔn)均建立在地面，各衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)依靠地面全球或區(qū)域監(jiān)測站的觀測數(shù)據(jù)精確測定導(dǎo)航星座衛(wèi)星的軌道和鐘差，并通過空間段衛(wèi)星播發(fā)廣播星歷和鐘差(包含在導(dǎo)航電文中)實現(xiàn)高精度時空基準(zhǔn)向用戶的傳遞。為實現(xiàn)衛(wèi)星時間對系統(tǒng)基準(zhǔn)時間的精確預(yù)報，導(dǎo)航衛(wèi)星均配置了星載原子鐘，主要包括銣原子鐘、銫原子鐘和被動型氫鐘。
星載原子鐘研制使用至今已有近50年的歷史，且隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展和衛(wèi)星升級性能逐步提升。
星載銣鐘以銣原子基態(tài)超精細能級躍遷譜線作為鑒頻標(biāo)準(zhǔn)鎖定晶振的輸出頻率，具有技術(shù)成熟、產(chǎn)品體積小等優(yōu)勢，得到廣泛應(yīng)用。北斗、Galileo衛(wèi)星配置的星載銣鐘，其穩(wěn)定度達到10^-14/d量級，GPSBlockIII衛(wèi)星上的銣鐘天穩(wěn)已經(jīng)達到10^-15量級，性能水平不斷提高。
氫鐘采用氫原子基態(tài)作為鐘躍遷，可獲得極高的頻率穩(wěn)定度和極低的漂移率。根據(jù)不同的技術(shù)方案，氫鐘分為主動型氫鐘和被動型氫鐘。Galileo衛(wèi)星和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星上均配置了被動型星載氫鐘，其典型頻率穩(wěn)定度和漂移率分別達到5×10^-15/d和1×10^-15/d，從而使導(dǎo)航衛(wèi)星具備極好的天尺度守時能力。
銫鐘具有漂移率小的優(yōu)勢，可作為天基守時設(shè)備。
原子鐘為導(dǎo)航系統(tǒng)提供了高精度的時間頻率基準(zhǔn)，向著精度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)的方向不斷發(fā)展演變。同時衛(wèi)星載荷要求星載原子鐘的重量更輕、體積更小、可靠性更高。未來，隨著低軌星座衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，星載銣鐘、銫鐘和氫鐘的性能指標(biāo)將進一步提升。汞離子鐘、冷/熱原子微波鐘和光鐘等精度更高、穩(wěn)定性更優(yōu)、體積小、重量輕的新型原子鐘也有望隨著技術(shù)進步迎來快速發(fā)展和應(yīng)用。
