導(dǎo)航衛(wèi)星與原子鐘

文/李會超

好萊塢大片《加勒比海盜5》重現(xiàn)了當(dāng)年大航海時代揚帆遠(yuǎn)航的豪邁場景。對于航海家們來說，和掛帆操舵同樣重要的是確定自己的位置。在公海大洋之中，放眼望去都是浩瀚無垠的大海，航海家們可以依靠的只有天上的星斗。在那時的航海定位中，只有當(dāng)定位者能夠比較精確的確定目前的時間時，才能利用天文學(xué)家們測量好的星圖和計算表來確定自己的位置。到20世紀(jì)初，專門為航海準(zhǔn)備的精密計時器已經(jīng)可以將一天內(nèi)的誤差降低到幾秒的量級。

今天，已經(jīng)很少有輪船利用星空進(jìn)行日常定位導(dǎo)航了。全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）的出現(xiàn)使得人們用終端機接收衛(wèi)星信號后，就能快速、精準(zhǔn)地確定自己的位置。國際上起步最早、應(yīng)用最廣泛同時也是最成熟的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是美國的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)。同時，俄羅斯的格洛納斯導(dǎo)航系統(tǒng)、歐洲的伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)也陸續(xù)建成。中國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前也正在緊鑼密鼓地進(jìn)行建設(shè)。

精確導(dǎo)航需要精確的時間

▲早期的航海用時鐘，一般要固定在特殊的框架上以抵御船身搖晃帶來的影響

有趣的是，在大航海時代幾百年后的衛(wèi)星導(dǎo)航的時代，精確的導(dǎo)航仍然和精確的時間測量相聯(lián)系。這四種導(dǎo)航系統(tǒng)雖然在具體的技術(shù)設(shè)置上各有特色，但基本原理都是相同的：導(dǎo)航衛(wèi)星在空中連續(xù)發(fā)送帶有時間和位置信息的無線電信號，供地面終端接收。由于衛(wèi)星與接收者之間隔著一定距離，接收機接收信號的時間要比衛(wèi)星發(fā)送時間晚一些，一般將這兩個時間之間的間隔稱為時延。將時延乘上光速，便得到了衛(wèi)星與接收機之間的距離。當(dāng)終端同時測到與四顆或更多衛(wèi)星之間的距離分別是多少時，便可以獲得當(dāng)前位置的準(zhǔn)確值。光速高達(dá)每秒30萬公里，要精確定位，就要求對時間的測量精度非常高。據(jù)估計，當(dāng)時間誤差為10納秒時，對應(yīng)的空間距離誤差就達(dá)到3米。日常活動中對定位的誤差要求一般不能大于10米，這就要求衛(wèi)星上能夠持續(xù)產(chǎn)生準(zhǔn)確的時間數(shù)據(jù)。

在20世紀(jì)初，人們能利用的最精確的時間信號產(chǎn)生器件是石英晶體振蕩器。這種目前在電子電路上廣泛應(yīng)用的器件并不能滿足精準(zhǔn)定位的要求。在20世紀(jì)60到70年代，美國的導(dǎo)航技術(shù)預(yù)先研究表明，僅用恒溫晶振，衛(wèi)星的時間保持能力為每天數(shù)微秒（1微秒=1000納秒），不能滿足衛(wèi)星定位的要求。

那么，如何才能獲得更高精度的時間信號呢？

▲第一代GPS衛(wèi)星使用的銣原子鐘

原子鐘怎樣獲取精確時間信號

根據(jù)原子物理學(xué)的基本原理，原子核處于不同的能量狀態(tài)中。我們可以把這些能量狀態(tài)想像成一棟樓房的不同樓層，原子所處的樓層越高，能量也就越高。當(dāng)原子吸收或釋放能量時，它必須從一個樓層的地板移動到另一個樓層的地板，而不能懸浮在地板和天花板之間。如果用物理學(xué)的術(shù)語來描述的話，不同的樓層被稱為“能級”，原子在不同樓層間移動的過程稱為“躍遷”。原子下樓時，也就是從高能級躍遷到低能級時，會釋放電磁波。對于某一種原子來說，它在躍遷的過程中所發(fā)出的頻率是固定的，物理學(xué)上將其稱為“共振頻率”。原子鐘就是利用一些元素原子的共振頻率，來獲得精確的時間信號的。

上世紀(jì)30年代，美國哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家拉比找到了利用這個物理學(xué)原理來精確獲得時間信號的實現(xiàn)方法。在磁場中，原子可以在兩種具有細(xì)微能量差別之間進(jìn)行躍遷，物理學(xué)上將這種躍遷稱為“超精細(xì)躍遷”。當(dāng)一束處于某一個特定“超精細(xì)狀態(tài)”的原子通過一個震蕩電磁場時，電磁場的震蕩頻率和原子超精細(xì)躍遷的頻率越接近，發(fā)生躍遷的原子數(shù)就越多。當(dāng)調(diào)整震蕩頻率，使得所有原子都能完成躍遷時，這時的震蕩頻率恰好是原子的超精細(xì)躍遷頻率。原子鐘通過這種方式就可以獲得與原子的共振頻率完全相同的頻率，從而可以作為產(chǎn)生時間信號的基本節(jié)拍，也就是丈量時間的基本單位。目前，國際上對“1秒”的定義就是根據(jù)銫原子鐘的共振頻率來確定的，1秒相當(dāng)于銫原子9,192,631,770個這樣的節(jié)拍所持續(xù)的時間。早期的原子鐘體積龐大，要占據(jù)一個房間的空間，實用性不強。上世紀(jì)50年代，麻省理工學(xué)院的扎卡賴亞斯制造出了第一臺小型化、實用化的原子鐘。

▲伽利略導(dǎo)航系統(tǒng)使用的氫原子鐘和銣原子鐘

原子鐘的種類

目前，應(yīng)用比較成熟的有銫原子鐘、銣原子鐘、氫原子等。不同原子鐘的基本原理都相同，區(qū)別在于使用的原子元素種類和觀測能量變化的手段。銫原子鐘的長期穩(wěn)定性較好，可以幾天甚至十幾天不對誤差進(jìn)行修正。銣原子鐘在短時間內(nèi)的精度要好于銫原子鐘，但是時間稍長就要對誤差進(jìn)行修正。而氫原子鐘則具備這兩者共同的優(yōu)點，但是設(shè)計相對復(fù)雜，應(yīng)用難度比較高。早期GPS系統(tǒng)曾經(jīng)考慮過使用氫原子鐘，但后來因為樣機模型未能通過地面測試而取消，轉(zhuǎn)而采用了銫原子鐘和銣原子鐘結(jié)合的方式。歐洲的伽利略系統(tǒng)在立項之初的一個目標(biāo)就是要超越GPS系統(tǒng)的精度。因此，伽利略系統(tǒng)的導(dǎo)航衛(wèi)星上配備了銣原子鐘和氫原子鐘。

▲美國NIST-7銫原子鐘，曾經(jīng)在一段時間內(nèi)用于產(chǎn)生美國的標(biāo)準(zhǔn)時間

▲美國海軍實驗室用于為GPS系統(tǒng)同步時間的主時鐘

相比于一般的原子鐘，安裝在衛(wèi)星上上天的原子鐘還需要具備重量輕、功耗小、可靠性高、穩(wěn)定性好等特點。尤其是高可靠性，對于一個導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運行有著至關(guān)重要的意義。雖然衛(wèi)星都有壽命限制，維持導(dǎo)航系統(tǒng)運行需要不斷發(fā)射新衛(wèi)星補充即將停止工作的衛(wèi)星，但如果在軌的原子鐘毫無征兆地突然罷工，就會帶來不小的麻煩和損失。

過去，中國的原子鐘需要從國外進(jìn)口。進(jìn)口鐘不但價格昂貴，而且關(guān)鍵技術(shù)并不掌握在自己手中。依賴進(jìn)口原子鐘建設(shè)北斗系統(tǒng)將會給系統(tǒng)埋下巨大的潛在隱患。因此，在北斗系統(tǒng)立項之初，就明確了“實現(xiàn)國產(chǎn)原子鐘是必由之路”這一基本原則。在航天科工二院203所及國內(nèi)其他相關(guān)單位科研人員的努力下，目前北斗衛(wèi)星使用的高精度銣原子鐘已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化。隨著一次次原子鐘搭載發(fā)射的成功，標(biāo)志著中國已經(jīng)完全掌握了星載原子鐘的研制技術(shù)，完全擺脫了國外導(dǎo)航技術(shù)的束縛，也標(biāo)志著中國成為繼美國、俄羅斯之后能完全自主建立導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國家。

▲小型化原子鐘樣機

▲晶體振蕩器

▲美國二十世紀(jì)七十年代通過NTS-2衛(wèi)星測試的銫原子鐘

當(dāng)前，下一代冷原子鐘也在蓬勃發(fā)展中。相比于前文提到的幾種原子鐘，冷原子鐘可以利用激光讓“躁動”的原子逐漸冷卻下來。冷原子以非常緩慢的速度與微波作用，延長原子與微波作用的時間，從而可以獲得更高的時間精度。對于冷原子鐘來說，空間比地面更適合它工作，因為航天器在軌運行的微重力狀態(tài)可以使原子的速度不再受到重力影響。天宮二號空間實驗室上，就搭載了我國科學(xué)家開展空間冷原子鐘試驗的裝置。未來，這種原子鐘將把原子鐘的精度再提高10倍。如此高精度的原子鐘不但可以用于地面定位，還可以開展深空導(dǎo)航定位。如果我們在太陽系中不受引力影響的拉格朗日點各放置一臺冷原子鐘，人類就可以超越近地范圍、在太陽系這個更大的范圍內(nèi)實現(xiàn)準(zhǔn)確定位。同時，它還可以用于開展引力波、引力紅移的觀測，驗證廣義相對論，為人類更深入的認(rèn)識物質(zhì)世界提供幫助。