北斗卫星导航系统是国家中长期科学和技术发展规划确定的十六个重大专项之一，是我国重要的空间基础设施。原子钟是导航卫星的核心，直接决定了系统的导航定位精度。星载氢原子钟、星间链路和新信号体制一起并称为新一代北斗导航卫星的三项关键技术。中国科学院上海天文台在时间频率学科方面有良好的研究基础，上世纪60年代起即开始承担我国世界时的授时工作，70年代研制出我国首台地面主动型氢原子钟。在中国科学院知识创新方向性项目和北斗重大专项关键技术攻关项目支持下，瞄准北斗导航卫星上星应用，上海天文台经过多年的原理探索，牵头完成了我国首台星载氢原子钟的研制。2015年9月30日，首台星载氢原子钟随新一代北斗导航试验卫星发射升空，在轨连续运行三年多，工作情况良好。技术创新内容：1.国际上首创氢钟时分双频调制电路，利用原子跃迁信号分时控制方式实现对微波腔和恒温晶振的闭环控制，解决了微波腔探测信号和原子跃迁探测信号之间相互影响的难题，实现了国际领先的星载原子钟温度系数指标，为氢钟实现优异的长期频率稳定度和漂移率指标提供了保障；2.首次在氢原子钟上应用电极式微波腔，通过设计电极感容结构实现TE011模振荡，有效提高了氢钟微波腔Q值和原子跃迁信号强度，为氢钟高稳定度指标的实现奠定了基础；3.提出并实现了基于国产功率管和氮化硼材料的新型电离源系统，利用氮化硼材料的透波散热特性，解决了电离源因高发热导致可靠性降低的难题，保证了氢钟电离源系统的高效可靠运行；4．采用国产元器件和国产原材料，成功研制高效真空吸附泵、集成化伺服控制电路和高性能磁屏蔽系统等星载氢钟核心部件，满足了星载氢钟的小型化、高可靠和长寿命运行要求，实现了星载氢钟核心技术和器部件自主可控。知识产权及应用推广情况：本项目已发表论文25篇，已授权专利7项。2015年至2016年，两台星载氢原子钟在北斗导航试验卫星上开展了应用验证试验，并通过星地比对和在轨评估测试，验证了星载氢原子钟对导航性能提升的重要价值。目前在建的北斗三号全球系统中，上海天文台已完成13台星载氢原子钟的研制交付，其中10台已配置到GEO、IGSO和MEO全部三类北斗导航卫星，并随卫星发射升空，开机后全部作为主钟使用，运行情况良好。相对于北斗北斗二号的星载铷原子钟，星载氢钟长期预报精度提升了一个量级以上，预报误差每天小于1纳秒(ns)，达到国际先进水平。星载氢钟显著提高了北斗卫星导航系统的定位和授时性能，为北斗卫星导航系统建设作出了重要贡献。