本文首先以光钟的定义、应用以及锶光钟国内外研究现状,空间光钟国内外研制情况,以及我国空间时频体系的建立为论文的背景,介绍研制空间光钟需要解决的困难和问题,包括环境适应性、质量、功耗、体积、电磁兼容、高度集成化、高度自动化、高可靠性以及高稳定性等。对空间光钟的构成与设计方案进行了简述,针对空间光钟面临的技术困难,从系统层面介绍空间光钟整体设计方案,以及概述构成空间光钟三个单元的结构设计。分析空间光钟在轨运行后可能遇到且需要解决的科学问题,相对于地面光钟,空间光钟将会面临一些特殊的环境。首先,空间锶原子光钟需要在微重力情况下进行窄线宽激光冷却。由于很难为实验创造失重环境,需要对失重情况下的窄线宽激光冷却和俘获进行建模。利用数值模拟的方法研究了基于88Sr中~1S0-~3P1的窄线宽跃迁的磁光阱（MOT）的冷原子行为。仅考虑平均力的模拟表明,在具有典型参数的微重力空间中运行的MOT中的单个原子将得不到有效冷却;考虑自发辐射导致的动量扩散,使用随机微分方程进行蒙特卡罗方法,模拟了多个原子的位置和速度分布、温度演变等,表明微重力下的88Sr的窄线宽冷却MOT温度明显高于地面的情况,并且原子密度较低。在此基础上,本文提出了使用双频MOT的方法来实现低温、高密度、高传输效率的空间窄线宽红MOT。其次,空间锶原子光钟随空间站在近地轨道运行时还将面临变化幅度为±40μT的地磁场。实验测试表明原子的光晶格转载将会受到变化地磁场的严重干扰,理论分析预测锶光钟的频率准确度也将受到一定影响。因此,本文研究了利用磁场补偿线圈进行主动补偿的方法,研制了主动补偿系统原理样机,实现了变化地磁场的主动补偿,系统锁定后磁场变化范围满足空间光钟E-18稳定度要求。最后,对于空间光钟研制中面临的最严苛的任务之一——实现空间光钟的全自动化运行需要实现的软件方案,结合空间光钟电控系统,对空间锶原子光钟的软件系统分析与设计方案进行了详细论述。定义了空间光钟软件功能、性能、接口设计、工作模式,划分了软件配置项,明确了配置项任务及接口关系,以及对软件的安全性进行了系统层面的设计,并对后续空间光钟所需要进行的所有软件工程化工作进行了规划与概述。