近日，中国科学院上海天文台激光测距及应用科研团队在星地激光时频传递领域取得重大突破，为中国空间站梦天舱研制了激光时频传递载荷及配套地面站，实现了星地钟差测量的1 s标准点精度达2～5皮秒，时间偏差稳定度优于0.7ps@50s，修正阿伦偏差稳定度为2×10⁻¹⁴@50s的优异性能，取得了目前国际公开报道中最优的星地激光时频传递测量结果。相关研究成果于2026年7月16日发表于国际大地测量学权威期刊《Journal of Geodesy》。

图1 中国空间站星地激光时频传递示意图

图2 上栏：星地激光时间传递中各观测弧段的钟差线性拟合残差，灰色点表示原始钟差拟合残差，绿色点表示一秒标准点数据；下栏：拟合残差对应的测量稳定度结果。

星地时频传递技术是实现高精度时间同步和频率比对的重要手段，在计量学和基础科学研究中发挥着重要作用。近年来，随着地基和星载原子频标技术的快速发展，现有时频传递链路面临更高精度、更高稳定度和更高准确度的需求。特别是光钟的性能达到了前所未有的稳定度和精度，传统微波时频传递技术因频段所限已难以满足，光纤时频传递技术又因受制于分布而灵活性不足，自由空间的高精度激光时频传递技术已凸显出其特有的技术优势。

面向国家重大航天工程任务，上海天文台科研团队为中国空间站梦天舱研制了激光时频传递载荷，该载荷主要由单光子探测器及其光学系统、事件计时器和激光角反射器三部分组成，采用一体化集成设计，重量约6.6kg，功耗低于25W，单次测量精度达到20ps，测量稳定度优于1ps@1day（图3）。

针对空间站轨道高度低、观测弧段内径向距离和仰角变化大，以及强背景噪声影响单光子探测等问题，上海天文台突破了单光子探测、皮秒计时、高重复率测量、低时延抖动等关键技术，研制了由聚四氟乙烯散射片、分区衰减片和4nm窄带滤光片等组成的激光时频传递载荷光学系统，有效提升了载荷的探测能力和测量稳定度。

图3: 左栏：激光时频传递载荷；右栏：探测器光学系统

在数据处理方面，科研团队在广义相对论框架下，建立了皮秒级精度的星地激光时频传递解析计算模型，系统考虑光行时、大气折射与湍流、探测器与反射器参考点不一致、反射器质心偏差以及相对论频移等影响因素。在相对论频移建模方面，定量评估了地球高阶引力势、固体潮和海潮等效应对时频传递链路准确度与稳定度的影响，为高精度星地激光时频传递提供了完备的理论模型支撑。在此基础上，形成了一套可直接嵌入时频传递处理软件、具有明确误差界限并通过软件闭环验证的工程化计算模型。

在试验实施过程中，科研团队针对空间站复杂光学环境和星载探测器工作模式限制，重点解决了交会对接反射器回波对激光时频传递信号产生干扰、固定门控条件下高重复频率激光脉冲难以准确进入探测窗口等关键问题，实现了星载上行激光信号探测与地面反射回波接收的稳定协同。

图4 中国空间站多个激光反射器的测距结果。LRA-1、LRA-2和LRA-3对应中国空间站的交会对接激光反射器；星地激光时间传递仅使用ILTT激光反射器数据。

该激光时频传递链路将进一步服务于中国空间站原子钟在轨性能评估，并支撑皮秒级精度远程时间同步及10^-7量级引力红移检验等基础科学研究。基于此，该技术成果已推广应用在多个专项任务，实现了低轨（空间站，2022）、高轨（北斗，2007）到地月空间（DRO，2024）激光时频传递能力的全覆盖。

该研究的第一作者为上海天文台的博士后耿仁方，论文的通讯作者为上海天文台的吴志波正高级工程师，合作者包括国家授时中心的高帅和研究员课题组、空间应用工程与技术中心的王文彬研究员等。

论文链接：

https://doi.org/10.1007/s00190-026-02095-0

科学联系人：

吴志波，中国科学院上海天文台，wzb@shao.ac.cn

耿仁方，中国科学院上海天文台，grf@shao.ac.cn