当美国白宫要求NASA为月球制定独立的时间标准“协调月球时”，当欧洲航天局计划在月球导航卫星上安装原子钟，我们不难发现，在人类迈向深空的征程中，高精度的时间，已成为与空气和水同等重要的战略资源。

这一切技术的源头，都指向地面与星空中的一种精密仪器——原子钟。而在中国，一场针对国家授时中心的网络攻击事件，更是将这场关乎“时间主权”的无声战争，清晰地展现在公众面前。

一、为何原子钟关乎国家安全？

2023年至2024年，美国国家安全局针对中国国家授时中心发起了一场体系化的网络攻击，企图渗透至高精度地基授时系统。

其目标非常明确：撼动中国赖以运转的时空基准——“北京时间”。

这并非小题大做。时间同步的微小误差，会通过通信、电力、金融、交通等系统被无限放大，引发灾难性后果：

① 差1毫秒：电网相位失步，可能导致大面积停电。

② 差1微秒：高频交易混乱，国际金融市场会产生千亿级波动。

③ 差1纳秒（十亿分之一秒）：北斗卫星定位精度会下降约30厘米；手机通信的载波无法同步，通话与上网中断。

④ 差1皮秒（万亿分之一秒）：地月空间的航天器，如嫦娥飞船，定位偏差可达数公里。

“授时”，就是将标准时间信号分发到社会各关键领域的过程。而原子钟，正是产生这一标准时间的源头。谁掌握了更精准的时间，谁就掌握了数字时代的命脉。

二、什么是原子钟？

1、概述

原子钟是卫星导航系统实现高精度时空基准的关键核心部件。

当前时空基准均建立在地面，各卫星导航系统依靠地面全球或区域监测站的观测数据，精确测定导航星座卫星的轨道和钟差，并通过空间段卫星播发广播星历和钟差（包含在导航电文中）向用户的传递高精度时空基准。

为实现卫星时间对系统基准时间的精确预报，导航卫星均配置了星载原子钟。

2、工作原理

星载原子钟被誉为卫星的“心脏”，它利用原子在不同能量态之间跃迁时的谱线来计时。因这种电磁波周期非常稳定，几乎不受温度、压力、磁场等外界环境干扰，原子钟成为“世界上最精准的计时工具”，属于国家战略资源。

原子钟的原理简单易懂，但是实际应用需要克服一系列的技术难题。

首先，需要解决原子振荡的稳定性和高频准确性问题。

其次，要保证原子钟在恶劣环境下依然能够稳定工作。

因此，原子钟的研发需要团队的合作和不断的技术突破。

3、类型

作为国家战略资源，原子钟分为守时型和基准型两类：

守时型原子钟环境适应性强，可常年连续运行，用于生成和记录时间信号；

基准型原子钟精度更高，主要用于校准守时型原子钟，确保时间基准的准确性。

我国国家授时中心拥有40多台不同类型的守时型原子钟，并通过自主研制的铯原子喷泉基准钟校准，达到6000万年不差1秒的水平。

根据工作介质和应用场景，主流原子钟可分为三类：

4、原子钟如何赋能精准定位？

"可以说，谁的原子钟做得好，谁的导航就做得好。”北斗三号卫星系统首席总设计师林宝军表示。

卫星导航的本质，是一个巨型的时间测量系统。

卫星持续播发带有精确时间戳的信号，用户接收机通过计算信号从多颗卫星传来的时间差，反向推算出自己的位置。在这一过程中，时间测量的精确度至关重要。

时间精度就是卫星导航的“命门”，天地间时间越同步、误差越小，定位精度越高。因此，只有通过配置高精度原子钟，才能实现卫星直接播发出高精度导航定位信号。

在之前写的《RDSS与RNSS定位技术深度解析》中也有详细的讲解，感兴趣的朋友可以点击文章查看。

三、原子钟发展历程

1、原子钟的研发历程

原子钟的发展历程起源于20世纪中叶，第一代原子钟利用微波信号的频率作为时间基准，标志着高精度时间测量技术的突破。

经过了多个阶段的研究与发展。早期的铯原子钟是实现时间测量和频率标准化的关键技术，后续的气体原子钟、光钟和离子钟的发展更加深化了原子钟的应用领域。

2、中国原子钟的突破之路

北斗导航系统总设计师杨长风曾回忆，在北斗发展初期，高精度原子钟技术被少数国家垄断并对中国严格禁运。这成为制约中国北斗发展的最大“命门”。

为此，中国科技工作者开启了自力更生的攻关历程：

① 2005年启动高性能原子钟研究

② 2007年首批国产铷原子钟随北斗试验星上天，实现零的突破。

③ 2015年国产星载氢原子钟成功发射，标志我国掌握更高精度时频技术。

④ 2020年成功研制两台铯原子喷泉基准钟，使“北京时间”拥有了自主的校准能力。

⑤ 2024年中国授时精度达6000万年不差1秒。中国团队将铯原子钟的短期频率稳定度提升至E-14（百万亿分之一）量级。

如今，国家授时中心已拥有40余台守时型原子钟，又通过对铯原子喷泉钟的校准，可以持续生成高稳精准的原子时，支撑北斗系统、5G通信、电力调度等关键基础设施。

通过攻克160余项关键核心技术，实现核心器部件100%国产化，中国的星载原子钟从无到有，从有到优，达到了国际先进水平。

四、北斗系统中的原子钟技术

1、原子钟对北斗系统的贡献

目前，中国研发的星载铷原子钟和氢原子钟技术已达到国际先进水平，这些技术的突破为北斗系统提供了精确的时间基准，极大地增强了导航系统的整体性能。

① 精确定位：利用原子钟提供的时间信号，实现厘米级精确定位。

② 时钟同步：确保卫星间时钟同步，提升导航信号的准确性和可靠性。

③ 短报文通信：具备抗干扰能力强、快速响应、性价比高等优势，适用于应急通信、搜索救援等场景。

2、技术升级创新

为了让系统性能更优，北斗的“心脏”在不断强健升级。

① “双钟”热备份

北斗卫星导航系统采用了铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式，卫星可靠性和在轨寿命大幅提升，并发明了无缝切换技术。当主用的氢钟出现异常，系统可在20皮秒（一万亿分之一秒）内切换到铷钟，用户几乎无感，极大提升了卫星的可靠性。

② 持续技术迭代

在2024年发射的最新北斗试验卫星上，星载原子钟配置再次升级，精度更高，漂移率更小，将北斗系统的时频性能又提高了一个量级。

③ 星间链路技术

北斗系统采用Ka波段相控阵星间链路技术，让卫星在太空中可以相互通信、测距，自动“保持队形”。这结合了高精度原子钟，使得即使在中国境外的区域，北斗星座不依赖地面站也能实现厘米级的定轨精度，构成了一个自主、稳定、强大的太空网络。

五、原子钟助力实现全面单北斗

在《北斗规模应用三年行动计划（2023-2025）》中要求：支持GPS＆北斗双模的物联网装备，要在2025-12-31日前全面更换成单北斗设备。

全面推广使用国产单北斗定位系统，不仅是对国家科技实力的一次重要展示，更是对国家安全、经济发展和社会服务的全面提升。

中国的星载原子钟从最初的技术依赖，到自主研发成功并达到国际先进水平，再到国家大力推行单一北斗政策，不仅彰显了我国科技自主自强的鲜明例证，更是国家安全和社会进步的坚实保障。

北斗产品也为行业客户带来了更加精准、高效、安全的智能化服务，进一步推动了各行各业的高质量发展。

未来，随着低轨星座卫星互联网的建设和下一代北斗系统的发展，原子钟的性能将进一步提升。

更高的精度、更小的漂移率、更优的环境适应性，将推动卫星导航、深空探测、量子通信等领域的技术革新。

同时，原子钟的应用场景也将持续拓展，从国家战略领域延伸到更多民生领域，为社会发展提供更精准的时间支撑。