本刊记者 贾璇

300万年误差小于1秒。这是北斗卫星星载氢原子钟的精度，也是中国导航屹立世界的硬核底气。

浩瀚苍穹之上，北斗卫星稳定巡天、精准服务全球，背后藏着一颗关键的“太空心脏”——星载氢原子钟。导航系统本质是一套精密时间测量系统，卫星十亿分之一秒（1纳秒）的时间偏差，就会造成地面0.3米的测距误差。这枚小小的原子钟，默默维持着时空基准的高精度，支撑起全球200多个国家和地区的北斗服务。

作为中国科学院上海天文台正高级工程师、星载氢原子钟设计师兼课题组长，帅涛深耕北斗核心技术十余载，接续三代科研人的奋斗接力，带队冲破国外技术封锁，攻克星载氢原子钟高精度、高可靠及全面国产化等一系列难题，实现核心技术完全自主可控。

星载氢原子钟设计师帅涛进行参数调试

“北斗”心脏，必须中国人自己造

曾几何时，国人习惯守着广播、电视机，跟着那句“北京时间×点整”校准手表、安排起居。

“当时，上海天文台领衔建立了精度达到国际先进的世界时系统，对外发播标准北京时间，但维持精准时标的核心设备仍依赖进口的石英钟。”帅涛说。如果国内航天测控、精密时间校准受制于人，没有属于自己的国家时间频率系统，相当于国家时间的标尺被攥在别人手里。

1969年9月，周恩来总理两次接见上海天文台科研人员，指出“要独立自主建立我国的原子时系统”。我国攻克国产氢原子钟的征程正式开启，氢原子钟研制任务定名“930-1工程”。

“那时起，科研人就下定决心：中国的时间体系，必须牢牢握在自己手里。”帅涛说。

20世纪七八十年代，第一代学科带头人翟造成远赴海外深造，潜心钻研氢原子钟集成化核心技术，归国后致力于技术迭代、夯实学科基础。

2002年，第二代课题组长林传富接过接力棒，跳出传统地面应用场景，瞄准北斗卫星工程刚需，全力攻坚适配太空应用的小型化被动型氢钟。

“早年科研条件十分艰苦，经费紧张、设备简陋、人手短缺。”帅涛介绍，前辈们凭着不服输的韧劲，历时十余年攻关，成功研制出地面实用型氢原子钟。

但作为地面设备，这时候的氢原子钟体型庞大、环境适应性不足，想要变身稳定服役的航天产品，还有鸿沟需要跨越。

2004年，北斗二号正式立项启动。当时，国内尚无成熟星载原子钟工程化产品，为保障工程进度，我方与欧洲伽利略系统洽谈采购高精度星载原子钟，前期谈判顺利、基本达成合作意向。

2005年，北斗二号研制攻坚正处于关键期。就在签约前夕，欧洲方面突然变卦，以技术管制、出口限制为由拒绝供货、终止合作，高精度氢钟引进渠道完全封死。外方仅允许我国采购指标相对低一级的星载铷钟，难以保障北斗系统实现国际一流的导航定位精度。

核心技术买不来、讨不来、换不来。我国科研团队愈发坚定信念：中国北斗的“心脏”，必须中国人自己造。

一颗地面钟的“飞天”难关

2013年初，北斗攻坚进入关键窗口期，经北斗三号卫星系统首席总设计师林宝军推荐，上海天文台党委书记陆晓峰、副台长陶隽邀约，帅涛放弃了待遇优厚的企业岗位，薪资近乎腰斩，全职投身星载氢钟攻坚一线，接过第三代科研接力棒。

回忆起当初的选择，帅涛淡然笃定：“这是国家重大工程，是必须拿下的硬任务。我的工程经验能补上团队短板，为国家突破卡脖子技术，值得。”

太空环境极端恶劣，火箭发射强振动冲击，高能粒子辐照、磁场环境交变，每一项都对精密原子钟构成考验。

同时，卫星载荷寸土寸金，设备必须极致轻量化、低功耗，还要保证十几年不间断稳定运行、零重大故障。

“相当于把娇贵的大型设备， 极致压缩装进狭小卫星舱体，在严酷的太空环境下还要保证长期可靠运转。”帅涛如此形容攻坚难度。

更加严苛的是，留给团队的攻坚窗口期仅有短短两年。一方面，整套星钟有数百个元器件、零部件要全部完成国产化替代与精密适配调试；另一方面，当时国产器件整体性能与国际一流产品尚有差距，却必须对标欧洲伽利略氢钟的顶尖技术指标，在有限周期内补齐短板、实现性能达标。

上海天文台为总体牵头单位，联合航天804所、上海技术物理所，组建十余人核心青年科研团队；同时联动中电13所、24所，航天510所、203所，中国科学院电子所、微系统所等数十家配套单位，开启全产业链、跨领域协同攻关，各方统筹调配资源、分工协同补位。

团队全员身兼数职、昼夜奋战，同步推进整机性能迭代升级、核心元器件全面国产化、空间环境适应性验证等系列关键任务，逐一攻克小型化轻量化、空间辐照耐受、高低温稳定、力学抗振动等技术难题。

星载氢原子钟集成测试

北斗三号星载氢原子钟

倒计时下的“归零”

2014年底至2015年初，是帅涛和团队最刻骨铭心的时间段，也是整个项目最为惊险的“至暗阶段”。

距离既定卫星发射的节点仅剩数月，两台核心产品却突然出现了双重故障：一台产品稳定度指标大幅恶化，无法满足在轨服役标准；另一台在力学振动试验中，核心零部件引脚断裂，力学可靠性不达标。

“这意味着，两项核心任务直接面临‘归零’。而发射时间早就确定了，不容推迟，这让我们团队的压力一下就达到顶峰。”帅涛说。

航天工程中，“‌归零‌”指针对出现的质量问题或故障，从技术和管理两个维度进行彻底分析、纠正和预防的闭环管理方法。它是中国航天领域独创且核心的质量管理标准，旨在确保万无一失。

“那段时间，我们不分昼夜，全员‘白加黑’连轴转。”帅涛回忆，攻坚周期横跨春节，团队成员仅短暂休整一两天，他的除夕之夜则是在实验室度过的。“我们是人员轮换休息，但试验设备24小时不间断运转。”

功夫不负有心人。仅用了一个月时间，团队接连攻克性能衰减、结构断裂两大核心难题，圆满完成全部整改与验证工作，如期守住北斗发射关键节点。

“太空之心”走进百姓生活

2015年9月30日，我国首台自主研制的星载氢原子钟，随着新一代北斗导航试验卫星成功升空。

“卫星升空对于我们来说，才是真正考验的开始。”帅涛介绍说，卫星入轨后有固定开机顺序，先启动平台单机、再开启载荷设备，无法即时判断运行状态。他们要持续监测数小时，等到氢钟顺利开机、稳定工作、实现锁定、精度达标，才能最终验证任务取得成功。

那几个小时，是帅涛最漫长的等待。他彻夜值守、紧盯回传的遥测数据，满心忐忑与期盼。直到测控中心传来最终确认信号：星载氢钟锁定，在轨运行稳定，各项参数均符合预期。

心头悬了数年的巨石终于落地，帅涛第一时间拨通了前任课题组长林传富的电话。“那一刻，我们都松了口气，满心激动。”帅涛感慨。

这份荣光不仅属于当下的攻坚团队，更属于深耕氢钟研发数十载的老一辈科研人，翟造成和林传富等多位前辈坚守多年的科研成果，终于在太空落地生根，三代科研人的接力梦想终于照进现实。

自此，我国彻底打破国外星载氢钟技术垄断，北斗卫星拥有了完全自主可控的“中国心”。

相较于传统铷原子钟，国产星载氢钟长期稳定度指标高出一个量级，单日时间误差仅零点几个纳秒，终极精度实现数百万年误差1秒。作为北斗三号主力原子钟，氢钟大幅降低卫星对地面测控站的依赖，可支撑数十天自主稳定导航，助力北斗完成从区域服务到全球覆盖的历史性跨越。

如今，上海天文台研制的21套星载氢钟在轨稳定运行，作为核心载荷支撑北斗三号为全球提供全天候、高精度时空服务。精准车道定位、共享单车电子围栏停放、智慧农业自动驾驶、高铁航空安全运维……这颗“太空之心”早已融入千行百业、走进百姓生活。

下一站，颠覆性技术突破

放眼全球，目前仅有中国、俄罗斯、欧洲具备星载氢原子钟的独立研制能力。三方各有优劣：俄罗斯产品指标优异，但工程化落地滞后、上天时间最晚；欧洲技术起步早、资源优势突出，但早期在轨产品故障率偏高、可靠性不足。

“我们起步晚、底子薄，最初是纯粹的跟跑者。”帅涛说，凭借数十年持之以恒的迭代攻坚与精益求精的技术打磨，我国被动型星载氢钟在北斗三号阶段成功实现并跑，在长期稳定性、空间适应性上形成综合优势，整体性能稳居国际先进水平。

2020年7月31日上午，北斗三号全球卫星导航系统正式开通仪式‌在‌北京人民大会堂‌举行。帅涛坐在电视前，看到自己团队研发的国产氢钟出现，内心充满自豪。

“虽然我再也见不到它们，但每当耳边听到‘已为您开启北斗导航’的提示音，我就知道，手机和我们的钟连上了。它们在太空中精确地校准属于我们自己的中国时间。”帅涛说。

帅涛和团队并未停下攻坚脚步。当前，团队正在全力研发新一代主动型星载氢原子钟，实现颠覆性技术突破：将重达200公斤的地面大型主动氢钟，极致精简至18公斤，在大幅轻量化的同时，时间精度预计提升5倍，未来将适配下一代北斗系统，实现更高精度、更高自主化、更低功耗的技术跨越。

一枚星钟的迭代史，是中国科技突破封锁、自立自强的缩影。从1969年初代科研人艰难起步，到如今国产星钟驰骋苍穹、服务全球，半个多世纪薪火相传，三代“造钟人”初心不改、接续奋斗，用自主创新攻克核心技术，用久久为功铸就大国重器。