冷原子导航授时技术

●　文|北京空间科技信息研究所　　　　 刘春保

冷原子导航授时技术

●文|北京空间科技信息研究所 刘春保

美国空军在《技术地平线 —— 2010-2030空军科学技术愿景》（Technology Horizons - A Vision for Air Force Science & Technology During 2010-2030）报告中对冷原子技术有这样一段描述：“发展小型化的冷原子惯性测量装置与时钟，以及其他芯片级定位导航授时技术是确保在GPS拒止区域使用高精度导航与授时能力的基础。”该描述充分阐述了在未来强对抗战场环境下，冷原子导航授时技术在提供高精度定位导航授时能力方面的重要性。

冷原子定位导航授时技术的发展得益于过去三十年中量子光学与冷原子物理学的发展。1997年与2001年两项冷原子技术相关的科技成果获得了诺贝尔物理学奖，也表明了冷原子技术对人类科学技术发展的巨大贡献与重要作用。

冷原子技术是利用激光冷却技术将原子的温度降低、并保持在绝对零度附近（低于1mK，一般为100nK左右），在这样的温度下原子整体的平均运行速度很低，呈现出新的物理现象，并遵循新的物理规律。其中具有重要意义的是原子气体玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）现象。

激光冷却原子的基本原理为：利用迎面而来且与原子扰动频率相同的激光照射运动中的原子，原子吸收迎面而来的光子后，受激跃迁到高能态，动量降低。处于高能态的原子又朝各个方向发射同样的光子。结果是与光子的每次碰撞都使原子的动量减小，直至降至最低。当发射光子的速率很高时，温度就会降至很低。利用处于3个正交方向、且两两相对的6束激光可将原子引入激光的交汇处，再利用磁场与激光共同将原子束缚在该区域，从而形成磁光阱。这就是研发冷原子惯性测量系统和冷原子钟的基础。

量子光学是研究光与原子、分子相互作用的学科。激光器的问世使高分辨率光谱学取得了巨大的进步，不但加深了人们在量子尺度对光与物质相互作用的了解，并使基本物理常数的测定精度大幅度提升。

冷原子惯性测量系统与冷原子时钟是量子光学与冷原子物理技术的重要应用领域，在高精度定位导航与计时领域，特别是在深空与水下导航、强对抗战场环境下的高精度定位导航授时方面展现出巨大的应用前景。研究表明在空间微重力状态下，冷原子惯性测量系统与冷原子时钟的精度可能更高。

目前，美国与欧洲均已开展了基于冷原子技术的惯性测量系统与时钟的研发工作，并取得了重要进展，计划在新一代卫星导航系统中采用冷原子钟技术。按计划，欧洲的首个冷原子钟空间演示验证项目ACES将于2016年5月发射，利用国际空间站进行为期1.5～3年的空间飞行演示验证，见图1。

图1　欧洲利用国际空间站开展的冷原子钟技术演示验证

国外冷原子钟的精度已经达到1×10-16/天，较目前伽利略系统采用的氢钟高两个数量级，较NASA研发的汞离子钟高约一个数量级，远期有可能达到1×10-17/天。目前，冷原子钟研发面临的主要问题是小型化，即大幅度降低冷原子钟的质量、体积与功耗，以满足航天器应用的要求。图2为EADS研发的冷原子钟。

图2　EADS研发的冷原子钟

采用冷原子技术的商用重力计已经于2010年投入市场，其分辨率优于0.1μg，噪声约为1μg/Hz1/2。美国国防预先研究计划局（DARPA）开展的精确惯性导航系统（PINS）计划中，冷原子惯性系统的漂移率小于5m/h，远低于高性能GPS/INS系统的1400m/h。DARPA认为，未来冷原子惯性系统可用于空间飞行的航天器和水下航行的潜艇，大幅度提高航天器和潜艇等的定位、定姿与计时精度。

综上所述，冷原子技术定位导航授时技术提供的高精度定位导航授时能力是满足未来需求，弥补与解决卫星导航系统能力缺口与不足的关键技术之一，得到了欧美国家的高度重视，具有广泛的应用前景。

参考文献

[1]Todd L.Gustavson.Cold Atom Gyros.IEEE Sensors 2013 Tutorial,11/3/2013.

[2]Luigi CACCIAPUOTI.Cold Atom Clocks in Microgravity:The ACES Mission.Research and Scientific Support Department,European Space Agency,2008.

[3]C.Salomon.Cold Atoms,Bose-Einstein condensation and Space Clocks.www.esa.int. April 2014.

[4]Ch.J.Bord'e.Atomic clocks and inertial sensors.Metrologia,2002,39,435-463.