从北斗的高精度“守时”，到一枚方寸之间的钟

TIME · FREQUENCY · PRECISION

从北斗的高精度“守时”
到一枚方寸之间的钟

中国时频技术的自主突破
与 STM-Rb-M 微型铷钟的工程实践

同相科技 · Onetest仪器资源库

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图1｜北斗与精准时间

提起北斗，我们首先想到的是定位：从城市道路到远洋航线，从精准农业到工程测绘，中国人有自己的全球卫星导航系统。而在定位背后，还有一项同样关键的能力——掌握精准的时间。

原子钟，是导航卫星的“心脏”。北斗的发展史，也是一部中国原子钟技术不断突破、不断走向自主的奋斗史。从早期技术攻关，到国产铷原子钟、氢原子钟支撑系统运行，几代科研工作者接续奋斗，把核心能力牢牢掌握在自己手中。［1］

这份坚持，已经结出了世界瞩目的成果。2025年10月，央视报道：我国国家标准时间准确度排名世界第一。中国时频技术的进步，正在改变我们在全球精密时间领域的位置。［2］

CHAPTER 01 · THE JOURNEY

三次跨越：从“买不到”到“世界领先”

图2｜星载铷钟（精密测量院供图）

卫星上的原子钟被称作导航卫星的“心脏”，每一次跃迁都直接决定定位、测速与授时的精度。也正因为它如此关键，这颗“心脏”曾经是中国航天最难买、也最难造的一件东西。

这条路一开始并不顺畅。北斗卫星导航系统总设计师杨长风曾回忆，北斗发展初期，我国并不具备研制生产星载原子钟的能力，少数能制造高精度原子钟的国家对我国实行严格限制，甚至直接禁运。［3］

倒逼之下，无数北斗人披星戴月，国产星载铷钟在2006年首次搭载验证成功；到2012年北斗二号一期最后三颗卫星，国产化铷钟已完全取代进口铷钟。［4］

图3｜铷钟数据监测室工作现场（精密测量院供图）

北斗三号把这件事做到了另一个量级。据中国科学院2025年报道，北斗卫星采用“两氢＋两铷”的配置，主备原子钟可无缝切换，切换时间差小于20皮秒。［5］关于性能，国家航天局转载报道将北斗三号铷钟稳定度表述为“300万年只有1秒误差”；中国科学院上海天文台2020年报道介绍的氢钟则达到约600万年误差1秒。［3，6］

2025 年中国科学院的一篇报道记录了下一次跨越：全球首台星载双频氢原子钟问世，精度达到 1000 万年误差 1 秒。文章援引研制团队的说法——“这一突破不仅解决了自主可控问题，更使我国在导航系统最核心的时频技术领域处于世界领先地位”。［5］

学术层面的数据同样能说明问题。北斗三号星载铷钟的公开论文给出的典型指标是：高精度型短稳 1.5E-12／√τ、天稳 9.4E-15；甚高精度型短稳 6.1E-13／√τ、天稳 3.9E-15。［7］

2022年《新时代的中国北斗》白皮书发布会介绍，北斗三号系统开通以来“分秒不断”，连续稳定运行，性能稳步提升。［8］守时能力不只看单台钟的指标，更看一整套时间基准能不能长期维持——这恰恰是国产原子钟从“能用”走向“可信”的标志。

CHAPTER 02 · ENGINEERING

工程应用 把高稳定频率装进50毫米

开槽管微波腔、光学与同位素双重滤光、低相噪微波链路、物理环境效应的抑制，都是公开论文讨论的星载铷钟技术路径。［7］在地面工程应用中，国内企业也推出了具有各自特色的时频产品。

图4｜STM-Rb-M 微型铷钟工程应用示意

成都同相科技有限公司（以下简称同相）的STM-Rb-M系列微型铷钟，就是面向工程应用的一款产品：50mm×50mm×19mm的封装，重量不超过110克，直插式引脚可以直接装在板卡或电路上，支持接收机驯服的同时，输出10MHz和1PPS信号。［9］

CHAPTER 03 · PERFORMANCE

短稳之争：一组可以逐项对比的数字

不少人有一个默认印象：微型铷钟的性能天花板在国外，Microchip 的 MAC 系列是这个品类里的性能标杆。我们把公开数据逐项摆在一起，结论会不太一样。

图 5｜同相 STM-Rb-M 系列与 Microchip MAC 系列微型铷钟短期稳定度对比（+25℃）

表 1｜微型铷钟短期稳定度对比（+25 ℃）

表1数据来源：同相STM-Rb-M系列产品规格页［9］；Microchip MAC-SA57扩展产品资料第2页［10］；Microchip MAC-SA5X扩展产品资料第2页SA55列［11］。

短期稳定度：数值越小，表示相应时间尺度的频率波动越小。不同厂商的数据保留各自的“≤”与“<”原始表述。

短期稳定度反映频率在较短时间内的波动程度，数值越小，意味着相应时间尺度上的频率越稳定。以1秒指标的数值为例，同相专业款8.0×10⁻¹²较Microchip对应型号1.5×10⁻¹¹性能高约1倍。［9—11］

同相两款产品的参数取自其规格页面，保留“≤”符号；Microchip两款产品的参数分别取自对应官方扩展产品资料，保留“<”符号。MAC-SA55的1秒、10秒、100秒指标依次为<1.5E-11、<5.0E-12、<1.5E-12，均按同一份资料的SA55列引用。［9—11］

在上述1s、10s、100s三个时间点，同相专业款的短期稳定度规格上限均更优。

图6｜同相微型铷钟专业款典型性能曲线［12］

图示测试说明：除特殊注明外，同相产品在普通室内环境下测试。［12］

Tau / σy(τ)：1 s 4.54e-12｜2 s 3.68e-12｜4 s 2.70e-12｜10 s 1.79e-12｜20 s 1.30e-12｜40 s 9.42e-13｜100 s 6.19e-13｜200 s 4.75e-13｜400 s 3.72e-13｜1000 s 2.68e-13｜2000 s 2.22e-13｜4000 s 2.77e-13

这组数据说明，在微型铷钟的短期稳定度这一关键指标上，国产产品已经具备超越国际知名品牌对应型号公开规格的实力。

注：表1为厂家公开规格比较。同相标注条件为+25℃，Microchip资料默认环境温度亦为25℃；图1为同相产品实测曲线资料，实测结果优于与表1的规格保证值。［9—12］

CHAPTER 04 · APPLICATION

从中国时间，到每一台设备里的精准

图7｜精密时间频率工程应用

北斗的发展，让我们看见中国掌握核心技术的决心；国家标准时间的进步，让我们看见长期积累的力量。

但是高性能时频器件的选择，最终要回到工程需求与项目预算。

同相微型铷钟性能如此优异，结合其STM-Rb-MC款每只仅4500元的售价，相信将为用户提供重新评估选型的理由：从样机研发到批量部署，高精度频率基准可以拥有更经济的实现路径。

对于习惯选择进口产品的用户，现在值得把国产方案放进同一张选型对照表，让技术指标、应用验证和采购成本共同决定答案。

同相科技——以方寸好钟，守住每一份精准。

图8｜STM-Rb-M 微型铷钟产品展示

CHAPTER 05 · REFERENCES

参考文献与信息来源

［1］中国航天科工二院. 中国航天科工北斗原子钟攻关历程记[EB/OL]. 国家航天局，2020-09-10. https://www.cnsa.gov.cn/n6758823/n6758838/c6810140/content.html

［2］央视网. [午夜新闻]国家安全机关破获美国针对我国国家授时中心重大网络攻击案 我国国家标准时间准确度排名世界第一[EB/OL]. 2025-10-20. https://tv.cctv.com/2025/10/20/VIDEcqCd9Qxi1bG4pM8hIOKQ251020.shtml

［3］中国青年报. 揭秘中国北斗是怎样炼成的[EB/OL]. 国家航天局转载，2017-11-13.

https://www.cnsa.gov.cn/n6758968/n6758975/c6799310/content.html

［4］中国空间技术研究院. 星载铷钟研制历程相关报道[EB/OL]. 2018-07-10.https://www.cast.cn/3g/news/6395

［5］中国科学院. 北斗“铸星人”：用中国精度织就苍穹智慧网[EB/OL]. 2025-07-17.

https://www.cas.cn/xzfc/202507/t20250717_5076556.shtml

［6］中国科学院上海天文台. 上海天文台助力北斗三号最后一颗卫星成功发射[EB/OL]. 2020-06-24. https://www.shao.cas.cn/2020Ver/xwdt/ttxw/202006/t20200624_5610970.html

［7］MEI G H, ZHAO F, QI F, et al. Characteristics of the space-borne rubidium atomic clocks for the BeiDou III navigation satellite system[J]. SCIENTIA SINICA Physica, Mechanica & Astronomica, 2021, 51(1): 019512. DOI: 10.1360/SSPMA-2020-0245.

https://doi.org/10.1360/SSPMA-2020-0245

［8］中国科学院微小卫星创新研究院. 《新时代的中国北斗》白皮书发布会召开[EB/OL]. 2022-11-04. https://www.microsate.com/xwzx/yw/202211/t20221107_6545620.html

［9］成都同相科技有限公司. 微型铷原子钟STM-Rb-M系列[EB/OL]. 产品规格页，含STM-Rb-MC与STM-Rb-MP参数.

https://www.sync-tech.com/News_read_id_34.shtml

［10］Microchip Technology Inc. MAC-SA57 Extended Sell Sheet[EB/OL]. 文档号00005403，第2页Stability参数表. https://www.microchip.com/content/dam/mchp/documents/FTD/ProductDocuments/Brochures/MAC-SA57-Extended-Sell-Sheet-00005403.pdf

［11］Microchip Technology Inc. MAC-SA5X Extended Sell Sheet[EB/OL]. 文档号00003348，第2页Stability参数表SA55列. https://www.microchip.com/content/dam/mchp/documents/FTD/ProductDocuments/Brochures/MAC-SA5X-00003348.pdf

［12］成都同相微型铷钟专业款规格书. 2026-11-05.

https://www.sync-tech.com/News_read_id_34.shtml，

来源说明：在线资料检索日期为2026-11-05。参考文献［1］—［12］均为公开资料。文中 “世界第一”对应央视2025年10月报道中的国家标准时间准确度，不等同于北斗所有守时指标的综合排名。

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