冷原子導航授時技術

●　文|北京空間科技信息研究所　　　　 劉春保

冷原子導航授時技術

●文|北京空間科技信息研究所 劉春保

美國空軍在《技術地平線 —— 2010-2030空軍科學技術愿景》（Technology Horizons - A Vision for Air Force Science & Technology During 2010-2030）報告中對冷原子技術有這樣一段描述：“發展小型化的冷原子慣性測量裝置與時鐘，以及其他芯片級定位導航授時技術是確保在GPS拒止區域使用高精度導航與授時能力的基礎。”該描述充分闡述了在未來強對抗戰場環境下，冷原子導航授時技術在提供高精度定位導航授時能力方面的重要性。

冷原子定位導航授時技術的發展得益于過去三十年中量子光學與冷原子物理學的發展。1997年與2001年兩項冷原子技術相關的科技成果獲得了諾貝爾物理學獎，也表明了冷原子技術對人類科學技術發展的巨大貢獻與重要作用。

冷原子技術是利用激光冷卻技術將原子的溫度降低、并保持在絕對零度附近（低于1mK，一般為100nK左右），在這樣的溫度下原子整體的平均運行速度很低，呈現出新的物理現象，并遵循新的物理規律。其中具有重要意義的是原子氣體玻色-愛因斯坦凝聚（BEC）現象。

激光冷卻原子的基本原理為：利用迎面而來且與原子擾動頻率相同的激光照射運動中的原子，原子吸收迎面而來的光子后，受激躍遷到高能態，動量降低。處于高能態的原子又朝各個方向發射同樣的光子。結果是與光子的每次碰撞都使原子的動量減小，直至降至最低。當發射光子的速率很高時，溫度就會降至很低。利用處于3個正交方向、且兩兩相對的6束激光可將原子引入激光的交匯處，再利用磁場與激光共同將原子束縛在該區域，從而形成磁光阱。這就是研發冷原子慣性測量系統和冷原子鐘的基礎。

量子光學是研究光與原子、分子相互作用的學科。激光器的問世使高分辨率光譜學取得了巨大的進步，不但加深了人們在量子尺度對光與物質相互作用的了解，并使基本物理常數的測定精度大幅度提升。

冷原子慣性測量系統與冷原子時鐘是量子光學與冷原子物理技術的重要應用領域，在高精度定位導航與計時領域，特別是在深空與水下導航、強對抗戰場環境下的高精度定位導航授時方面展現出巨大的應用前景。研究表明在空間微重力狀態下，冷原子慣性測量系統與冷原子時鐘的精度可能更高。

目前，美國與歐洲均已開展了基于冷原子技術的慣性測量系統與時鐘的研發工作，并取得了重要進展，計劃在新一代衛星導航系統中采用冷原子鐘技術。按計劃，歐洲的首個冷原子鐘空間演示驗證項目ACES將于2016年5月發射，利用國際空間站進行為期1.5～3年的空間飛行演示驗證，見圖1。

圖1　歐洲利用國際空間站開展的冷原子鐘技術演示驗證

國外冷原子鐘的精度已經達到1×10-16/天，較目前伽利略系統采用的氫鐘高兩個數量級，較NASA研發的汞離子鐘高約一個數量級，遠期有可能達到1×10-17/天。目前，冷原子鐘研發面臨的主要問題是小型化，即大幅度降低冷原子鐘的質量、體積與功耗，以滿足航天器應用的要求。圖2為EADS研發的冷原子鐘。

圖2　EADS研發的冷原子鐘

采用冷原子技術的商用重力計已經于2010年投入市場，其分辨率優于0.1μg，噪聲約為1μg/Hz1/2。美國國防預先研究計劃局（DARPA）開展的精確慣性導航系統（PINS）計劃中，冷原子慣性系統的漂移率小于5m/h，遠低于高性能GPS/INS系統的1400m/h。DARPA認為，未來冷原子慣性系統可用于空間飛行的航天器和水下航行的潛艇，大幅度提高航天器和潛艇等的定位、定姿與計時精度。

綜上所述，冷原子技術定位導航授時技術提供的高精度定位導航授時能力是滿足未來需求，彌補與解決衛星導航系統能力缺口與不足的關鍵技術之一，得到了歐美國家的高度重視，具有廣泛的應用前景。

參考文獻

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