再次刷新世界纪录！它是全球导航卫星的“心脏”，定位精度达厘米级

长江日报大武汉客户端2月3日讯（记者周劼 通讯员杨婷婷）日前，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院梅刚华团队发布最新成果，他们将铷原子钟短期频率稳定度提升至E-14（百万亿分之一）量级，再次刷新了铷钟频率稳定度的世界纪录。1月30日，在接受长江日报记者采访时，梅刚华表示，如果顺利解决了后续长期稳定度问题，就意味着作为全球导航卫星（包括美国的GPS和中国的北斗系统）的“心脏”——铷钟能支撑导航系统从米级、分米级一跃达到厘米级的定位精度。

梅刚华团队发布的最新数据：铷钟短期频率稳定度分别为9.0×10-14τ-1/2(1s～100s)和9.1×10-14τ-1/2(1s～100s)，红色虚线所示。

精准计量时间，自古就是国之大事。从日晷到沙漏，再到机械钟、石英钟，钟表总是代表着每个时代科技的尖端水平。20世纪30年代，世界上第一台原子钟面世，直接将人类的计时精度提高了万倍。1967年，在第十三届国际计量大会上，首次以铯原子跃迁的9192631770个周期定为1秒，从此原子钟就成为世界上通行的精准计时工具。其中铷钟更是首选。铷钟具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长且制造成本低等优点，广泛应用于卫星导航、通信、电力、金融等国防和经济领域，是目前世界上应用最广、市场占有率最高的原子钟。

世界上第一台原子钟。

据悉，卫星导航直接依赖计时准确，天地时间越同步，误差越小，定位的精度就越高，所以全世界各卫星导航系统都不约而同选择铷钟作为计时器。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，是导航卫星名副其实的“心脏”。1997年，梅刚华带领团队开始致力于我国铷钟的研究，先后研制出三代具有完整自主知识产权的星载铷钟，批量装备于北斗导航卫星。他们于2006年研制成功的第三代星载铷钟，秒稳定度为7E-13，创造了当时的国际纪录。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的新型铷原子钟实现了卫星时频基准性能的大幅提高。

我国北斗导航卫星上所搭载的星载铷原子钟。

一款原子钟牛不牛，主要看三个方面：准确度（不确定度）、稳定度、漂移率，其中稳定度是核心，而稳定度又分为秒稳、百秒稳、万秒稳、天稳等短、长期指标。梅刚华介绍，铷钟是20世纪60年代发明的，经过20年的发展，到80年代，其稳定度达到短稳E-11、长稳E-13量级，当时就有人认为这就是它的极限，但到了90年代，新一代铷钟的研究打破了80年代的“预言”，达到短稳E-12，长稳E-14量级。20世纪末至今，经过20多年的持续攻关，我国北斗星载铷钟又将此前的纪录不断一个量级一个量级地步步提高。

精密院星载铷钟展厅中展示的我国早期原子钟。记者周劼 摄

铷钟的不断自我突破如同“黄忠将近古稀年，犹开弯弓射月满”，是科学界时时上演的“定军山”故事的新版本，“对于从发明到现在已近古稀的铷钟而言，大家都在讨论它的极限在哪里，视为日薄西山的技术，这么多年来，我们也一直在探索这个问题，而我们的研究表明，老将依然可以焕发青春，成为早上八九点钟的太阳。此次技术突破，跨入了新的量级，干成了很多人想干而没干成的事情，进一步扩大了我国铷原子钟技术的领先优势，对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具有重要意义。”年近古稀的梅刚华说。据梅刚华团队研制的最新型铷原子钟原理样机测量结果显示，其秒级频率稳定度达到9E-14，百秒级频率稳定度为9E-15。“北斗三号之后还会有北斗四号、北斗五号，那时还用铷钟作为星载候选钟是没问题的，其支持测量定位精度达到厘米级也是有可能的。”

梅刚华向记者介绍精密测量院原子钟研制发展历程。记者周劼 摄

越接近极限，量级的提升越困难。此次研究，梅刚华团队从提高原子信号信噪比、降低探寻微波的相位噪声和抑制原子体系的环境敏感性3个方面入手，采用了具有自主知识产权的开槽管微波腔、大尺寸铷气泡、高光谱纯度抽运光源和双重滤光等新技术，显著改善了原子信号信噪比。同时，在电路设计中，研究人员采用了一种新的低相噪频率综合器设计方案，减小了微波电路噪声对铷原子钟频率稳定度的影响；还利用密封箱实现物理系统与大气环境的隔离，将大气环境气压波动对铷原子钟频率稳定度的影响减小了一个数量级。基于这些技术实现短稳的突破，梅刚华表示，“铷钟的任何探索性进展总是先解决短稳。短稳提高不了，长稳肯定上不来。如果再解决了长稳的问题，下一代铷钟也就呼之欲出了。”

目前的星载铷钟能有多小？在精密测量院铷钟展厅，梅刚华指着一个鞋盒大小的金灿灿的铷钟样品说，“这就是北斗三号上的铷钟，它只有4升大小，4.4公斤。”

利用短稳技术的突破，除了星载铷钟外，梅刚华团队还将下一步应用的目标锁定在振荡器领域，“对于大量只需要短稳频率的振荡器产品而言，这一突破将是一次技术革新，有助于推动高品质微波振荡器的发展”。

【编辑：张靖】