国外空间原子钟发展研究

刘春保

(北京空间科技信息研究所，北京 100086)

空间原子钟是卫星导航系统最重要的有效载荷，是其提供高精度定位、导航、授时服务的根本保障，也是支撑未来空间信息网络、深空探测系统发展的支撑性关键技术。与地面原子钟相比，空间原子钟最重要的典型特征是小型化，同时，它要能够承受空间环境的影响，实现长寿命、高可靠，从而满足空间系统运行的要求。

一般而言，原子钟的工作机理决定了原子钟的性能，即原子能态的选择精度、时间测量精度与光谱分辨率越高，原子钟的性能越好。按照原子钟物理部分的工作机理，原子钟可分为磁选态原子钟(如目前卫星导航系统广泛使用的铷钟、铯钟与被动氢钟)、脉冲光抽运原子钟(如美国GPS-3卫星采用的脉冲光抽运铯钟)、相干布居囚禁(CPT)原子钟、离子阱原子钟、冷原子钟等[1-3]。上述原子钟最重要的区别是原子能态的选择方法不同，使原子跃迁光谱的分辨率不同。

国外空间原子钟主要应用于卫星导航领域。截至2017年6月，国外已经成功发射导航卫星230多颗，装备不同类型的空间原子钟770多部(全部为磁选态原子钟)。未来，空间原子钟的应用将向深空探测和空间科学试验领域扩展。随着空间原子钟技术的发展，磁选态原子钟(特别是铷钟、铯钟)的技术性能已经接近了理论极限。因此，为保证下一代卫星导航系统的发展，美国、欧洲、俄罗斯都已启动了新型空间原子钟的研发活动，重点包括脉冲光抽运原子钟、离子阱原子钟、冷原子钟。……