冷原子導(dǎo)航授時技術(shù)

●　文|北京空間科技信息研究所　　　　 劉春保

冷原子導(dǎo)航授時技術(shù)

●文|北京空間科技信息研究所 劉春保

美國空軍在《技術(shù)地平線 —— 2010-2030空軍科學(xué)技術(shù)愿景》（Technology Horizons - A Vision for Air Force Science & Technology During 2010-2030）報(bào)告中對冷原子技術(shù)有這樣一段描述：“發(fā)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(dǎo)航授時技術(shù)是確保在GPS拒止區(qū)域使用高精度導(dǎo)航與授時能力的基礎(chǔ)?！痹撁枋龀浞株U述了在未來強(qiáng)對抗戰(zhàn)場環(huán)境下，冷原子導(dǎo)航授時技術(shù)在提供高精度定位導(dǎo)航授時能力方面的重要性。

冷原子定位導(dǎo)航授時技術(shù)的發(fā)展得益于過去三十年中量子光學(xué)與冷原子物理學(xué)的發(fā)展。1997年與2001年兩項(xiàng)冷原子技術(shù)相關(guān)的科技成果獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，也表明了冷原子技術(shù)對人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展的巨大貢獻(xiàn)與重要作用。

冷原子技術(shù)是利用激光冷卻技術(shù)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(yùn)行速度很低，呈現(xiàn)出新的物理現(xiàn)象，并遵循新的物理規(guī)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(xiàn)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(yùn)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(tài)，動量降低。處于高能態(tài)的原子又朝各個方向發(fā)射同樣的光子。結(jié)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(dāng)發(fā)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(qū)域，從而形成磁光阱。這就是研發(fā)冷原子慣性測量系統(tǒng)和冷原子鐘的基礎(chǔ)。

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

冷原子慣性測量系統(tǒng)與冷原子時鐘是量子光學(xué)與冷原子物理技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，在高精度定位導(dǎo)航與計(jì)時領(lǐng)域，特別是在深空與水下導(dǎo)航、強(qiáng)對抗戰(zhàn)場環(huán)境下的高精度定位導(dǎo)航授時方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。研究表明在空間微重力狀態(tài)下，冷原子慣性測量系統(tǒng)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(shù)的慣性測量系統(tǒng)與時鐘的研發(fā)工作，并取得了重要進(jìn)展，計(jì)劃在新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中采用冷原子鐘技術(shù)。按計(jì)劃，歐洲的首個冷原子鐘空間演示驗(yàn)證項(xiàng)目ACES將于2016年5月發(fā)射，利用國際空間站進(jìn)行為期1.5～3年的空間飛行演示驗(yàn)證，見圖1。

圖1　歐洲利用國際空間站開展的冷原子鐘技術(shù)演示驗(yàn)證

國外冷原子鐘的精度已經(jīng)達(dá)到1×10-16/天，較目前伽利略系統(tǒng)采用的氫鐘高兩個數(shù)量級，較NASA研發(fā)的汞離子鐘高約一個數(shù)量級，遠(yuǎn)期有可能達(dá)到1×10-17/天。目前，冷原子鐘研發(fā)面臨的主要問題是小型化，即大幅度降低冷原子鐘的質(zhì)量、體積與功耗，以滿足航天器應(yīng)用的要求。圖2為EADS研發(fā)的冷原子鐘。

圖2　EADS研發(fā)的冷原子鐘

采用冷原子技術(shù)的商用重力計(jì)已經(jīng)于2010年投入市場，其分辨率優(yōu)于0.1μg，噪聲約為1μg/Hz1/2。美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）開展的精確慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（PINS）計(jì)劃中，冷原子慣性系統(tǒng)的漂移率小于5m/h，遠(yuǎn)低于高性能GPS/INS系統(tǒng)的1400m/h。DARPA認(rèn)為，未來冷原子慣性系統(tǒng)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(jì)時精度。

綜上所述，冷原子技術(shù)定位導(dǎo)航授時技術(shù)提供的高精度定位導(dǎo)航授時能力是滿足未來需求，彌補(bǔ)與解決衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)能力缺口與不足的關(guān)鍵技術(shù)之一，得到了歐美國家的高度重視，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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