國(guó)外空間原子鐘發(fā)展研究

劉春保

(北京空間科技信息研究所，北京 100086)

空間原子鐘是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最重要的有效載荷，是其提供高精度定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)的根本保障，也是支撐未來(lái)空間信息網(wǎng)絡(luò)、深空探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的支撐性關(guān)鍵技術(shù)。與地面原子鐘相比，空間原子鐘最重要的典型特征是小型化，同時(shí)，它要能夠承受空間環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命、高可靠，從而滿足空間系統(tǒng)運(yùn)行的要求。

一般而言，原子鐘的工作機(jī)理決定了原子鐘的性能，即原子能態(tài)的選擇精度、時(shí)間測(cè)量精度與光譜分辨率越高，原子鐘的性能越好。按照原子鐘物理部分的工作機(jī)理，原子鐘可分為磁選態(tài)原子鐘(如目前衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)廣泛使用的銣鐘、銫鐘與被動(dòng)氫鐘)、脈沖光抽運(yùn)原子鐘(如美國(guó)GPS-3衛(wèi)星采用的脈沖光抽運(yùn)銫鐘)、相干布居囚禁(CPT)原子鐘、離子阱原子鐘、冷原子鐘等[1-3]。上述原子鐘最重要的區(qū)別是原子能態(tài)的選擇方法不同，使原子躍遷光譜的分辨率不同。

國(guó)外空間原子鐘主要應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域。截至2017年6月，國(guó)外已經(jīng)成功發(fā)射導(dǎo)航衛(wèi)星230多顆，裝備不同類型的空間原子鐘770多部(全部為磁選態(tài)原子鐘)。未來(lái)，空間原子鐘的應(yīng)用將向深空探測(cè)和空間科學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域擴(kuò)展。隨著空間原子鐘技術(shù)的發(fā)展，磁選態(tài)原子鐘(特別是銣鐘、銫鐘)的技術(shù)性能已經(jīng)接近了理論極限。因此，為保證下一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，美國(guó)、歐洲、俄羅斯都已啟動(dòng)了新型空間原子鐘的研發(fā)活動(dòng)，重點(diǎn)包括脈沖光抽運(yùn)原子鐘、離子阱原子鐘、冷原子鐘。本文主要介紹了以美國(guó)、歐洲和俄羅斯為代表的國(guó)外空間原子鐘的發(fā)展情況，分析了在研與未來(lái)空間原子鐘的發(fā)展趨勢(shì)，并提出了我國(guó)空間原子鐘的發(fā)展建議。

1 空間原子鐘發(fā)展情況

1.1 磁選態(tài)原子鐘

磁選態(tài)原子鐘的工作機(jī)理是：利用不均勻的磁場(chǎng)進(jìn)行原子能態(tài)的選擇，進(jìn)而利用相同能態(tài)的原子實(shí)現(xiàn)時(shí)間或頻率精確測(cè)量[1]。磁選態(tài)原子鐘是當(dāng)前技術(shù)最成熟、空間應(yīng)用最廣泛的原子鐘，主要包括銣鐘、銫鐘和被動(dòng)氫鐘，GPS、“伽利略”系統(tǒng)、GLONASS和我國(guó)北斗系統(tǒng)分別選用磁選態(tài)銣鐘、銫鐘和被動(dòng)氫鐘(PHM)中的一種或兩種。

磁選態(tài)原子鐘的天穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到了5×10-14量級(jí)，由于原子能態(tài)的選擇不夠精細(xì)，其性能已經(jīng)不能滿足越來(lái)越高的時(shí)間計(jì)量精度和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能的要求[2-3]。美國(guó)是最早開展空間原子鐘研發(fā)的國(guó)家，應(yīng)用于GPS的銣鐘、銫鐘代表著當(dāng)前全球的領(lǐng)先水平。歐洲磁選態(tài)被動(dòng)氫鐘的研發(fā)處于領(lǐng)先水平，特別是在小型化方面，但在高可靠與長(zhǎng)壽命方面仍存在問(wèn)題。歐洲“伽利略”系統(tǒng)與“印度區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”(IRNSS)星載原子鐘大面積故障，即反映了這一問(wèn)題。

1.1.1 磁選態(tài)銣鐘

磁選態(tài)銣鐘具有小型化程度高、成本低、可靠性高、技術(shù)成熟等特點(diǎn)，是當(dāng)前國(guó)外所有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)均采用的空間原子鐘。其中，美國(guó)GPS裝備的銣鐘性能最好，且經(jīng)歷了長(zhǎng)期空間運(yùn)行的考驗(yàn)，見(jiàn)表1。歐洲“伽利略”系統(tǒng)采用瑞士Spectratime公司研發(fā)的磁選態(tài)銣鐘，與GPS衛(wèi)星磁選態(tài)銣鐘相比，其質(zhì)量更小(見(jiàn)表2)[4-5]，但尚未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期空間運(yùn)行的考驗(yàn)。2017年1月，“伽利略”系統(tǒng)與印度IRNSS各有3部銣鐘發(fā)生故障；6月28日，IRNSS又有4部銣鐘發(fā)生故障，發(fā)生故障的銣鐘達(dá)到7部，是IRNSS在軌銣鐘總數(shù)的1/3。

表1 美國(guó)磁選態(tài)銣鐘

表2 “伽利略”系統(tǒng)磁選態(tài)銣鐘技術(shù)指標(biāo)

1.1.2 磁選態(tài)銫鐘

沒(méi)有頻率漂移是磁選態(tài)銫鐘的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自主導(dǎo)航能力具有重要影響。在已經(jīng)發(fā)展的2代6個(gè)型號(hào)GPS衛(wèi)星中，除因研制拖延造成GPS-2R，2RM衛(wèi)星放棄選用磁選態(tài)銫鐘外，GPS-1，2，2A，2F衛(wèi)星均裝備2部磁選態(tài)銫鐘(見(jiàn)表3)。GPS-2F衛(wèi)星采用Datum-Beverly公司研發(fā)Model FTS 4410型磁選態(tài)銫鐘，其物理部采用單束銫束管束光學(xué)方案，電子部分采用數(shù)字控制技術(shù)[3,6]。GLONASS現(xiàn)役衛(wèi)星GLONASS-M采用MALACHITE公司研發(fā)的磁選態(tài)銫鐘，主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4[7]。當(dāng)前，只有美國(guó)較好地解決了制約磁選態(tài)銫鐘空間應(yīng)用的銫束管壽命問(wèn)題。從表3和表4可以看出：GPS-2F衛(wèi)星的磁選態(tài)銫鐘設(shè)計(jì)壽命已經(jīng)達(dá)到10年，而GLONASS衛(wèi)星的銫鐘設(shè)計(jì)壽命只略長(zhǎng)于3年。

表3 GPS磁選態(tài)銫鐘技術(shù)指標(biāo)

1.1.3 磁選態(tài)被動(dòng)氫鐘

磁選態(tài)被動(dòng)氫鐘的優(yōu)點(diǎn)是長(zhǎng)期穩(wěn)定性好(較磁選態(tài)銣鐘高一個(gè)數(shù)量級(jí))，這對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)非常重要；目前，其明顯的缺點(diǎn)是質(zhì)量、體積大，功耗高(可對(duì)比表1、表2中的磁選態(tài)銣鐘和表5中的磁選態(tài)被動(dòng)氫鐘)，因而減小質(zhì)量、體積，降低功耗是磁選態(tài)被動(dòng)氫鐘空間應(yīng)用首先要解決的問(wèn)題。磁選態(tài)被動(dòng)氫鐘是“伽利略”系統(tǒng)的主原子鐘，每顆衛(wèi)星裝備2部。歐洲最初計(jì)劃研發(fā)磁選態(tài)主動(dòng)氫鐘，但其質(zhì)量、體積、功耗等均過(guò)高，因此在2000年決定調(diào)整研發(fā)方向，在主動(dòng)氫鐘研發(fā)成果的基礎(chǔ)上研發(fā)被動(dòng)氫鐘[5,8-9]。

俄羅斯正在研發(fā)磁選態(tài)被動(dòng)氫鐘，計(jì)劃裝備增強(qiáng)型GLONASS-K和GLONASS-K2衛(wèi)星。其中：增強(qiáng)型GLONASS-K衛(wèi)星裝備的被動(dòng)氫鐘質(zhì)量25 kg，功耗54 W，設(shè)計(jì)壽命13.5年；GLONASS-K2衛(wèi)星計(jì)劃裝備小型化被動(dòng)氫鐘，質(zhì)量12 kg，功耗50 W，設(shè)計(jì)壽命15年[10-11]。

表5 “伽利略”系統(tǒng)被動(dòng)氫鐘技術(shù)指標(biāo)

1.2 脈沖光抽運(yùn)原子鐘

脈沖光抽運(yùn)(POP)原子鐘是一種新型的原子鐘，以光抽運(yùn)銫鐘為例，其物理部分工作原理見(jiàn)圖1。美國(guó)GPS-3A衛(wèi)星采用Datum-Beverly公司研制的光抽運(yùn)銫鐘，其樣機(jī)的準(zhǔn)確度為10-13，秒穩(wěn)定度達(dá)到6×10-12，天穩(wěn)定度達(dá)到2×10-14，設(shè)計(jì)壽命10年。

與磁選態(tài)銫鐘相比，光抽運(yùn)銫鐘具備如下優(yōu)點(diǎn)。①原子利用率高，有利于提高信噪比；②銫爐溫度較低，有利于提高銫鐘壽命；③束管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；④銫原子速度分布接近理論的馬克斯韋分布，可進(jìn)行準(zhǔn)確的二階多普勒頻移修正，有利于銫鐘準(zhǔn)確度的提升。

注：F為原子能級(jí)，F(xiàn)′為激發(fā)態(tài)能級(jí)，θ為檢測(cè)激光與原子束運(yùn)動(dòng)方向的夾角。圖1 光抽運(yùn)銫鐘物理部分工作原理Fig.1 Principle of physical section of optically pumped Cesium atomic clock

光抽運(yùn)原子鐘的原子能級(jí)區(qū)分更加精細(xì)，但由于其與磁選態(tài)原子鐘一樣均使用“熱原子”，原子運(yùn)動(dòng)速度快，有效測(cè)量時(shí)間短，影響了原子鐘的性能。為此，需要降低原子的運(yùn)動(dòng)速度，增加有效測(cè)量時(shí)間，從而提高原子鐘的精度。這一思路孕育了“冷原子鐘”的概念。

1.3 相干布居囚禁原子鐘

1976年，Alzetta等人在研究光抽運(yùn)作用時(shí)發(fā)現(xiàn)了相干布居現(xiàn)象，并將其定義為：在雙光子共振的條件下，初態(tài)處在相干疊加態(tài)的原子，在與雙模相干場(chǎng)發(fā)生相互作用時(shí)，原子布居數(shù)出現(xiàn)穩(wěn)恒狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為原子的相干布居囚禁現(xiàn)象。利用該原理研發(fā)的原子鐘即稱為相干布居囚禁原子鐘。主動(dòng)相干布居囚禁原子鐘在穩(wěn)定度等指標(biāo)上明顯優(yōu)于被動(dòng)相干布居囚禁原子鐘；而后者則在質(zhì)量、功耗等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[12]。

主動(dòng)相干布居囚禁銣鐘物理部分主要由微波諧振腔、磁屏蔽筒和銣泡等構(gòu)成。微波諧振腔是最重要的部件之一，要求質(zhì)量因數(shù)高、諧振頻率穩(wěn)定、場(chǎng)結(jié)構(gòu)適宜等。影響微波諧振腔性能的因素很多，包括材料、尺寸、形狀、溫度、填充介質(zhì)、工作模式等。銣泡的理論設(shè)計(jì)相對(duì)容易，但實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)卻比較困難，主要難點(diǎn)包括銣原子氣體的提純、緩沖氣體的選擇與配比、長(zhǎng)壽命的實(shí)現(xiàn)等[13]。

主動(dòng)相干布居囚禁原子鐘因其優(yōu)越的星載性能已經(jīng)得到歐美的重視。依托“伽利略”系統(tǒng)，意大利國(guó)家計(jì)量科學(xué)研究院(INRIM)研制了相干布居囚禁87Rb maser實(shí)驗(yàn)裝置，其物理部分的功耗只有約0.5 W，秒穩(wěn)定度達(dá)到3×10-12，萬(wàn)秒穩(wěn)定度達(dá)到3×10-14，體積、質(zhì)量、功耗和性能方面均優(yōu)越于當(dāng)前的星載磁選態(tài)銣鐘和銫鐘，被確定為“伽利略”系統(tǒng)未來(lái)星原子鐘的換代產(chǎn)品。

從國(guó)外相干布居囚禁原子鐘的研發(fā)情況來(lái)看，主動(dòng)相干布居囚禁原子鐘物理部分研發(fā)的主要難度在于微波諧振腔、磁屏蔽筒和銣泡的優(yōu)化與不斷改進(jìn)。由于影響物理部分性能的因素很多，目前尚未有成熟的技術(shù)方法。

1.4 離子阱原子鐘

離子阱是通過(guò)施加在特定構(gòu)型電極上的電磁場(chǎng)將帶電離子束縛在實(shí)驗(yàn)裝置中，并將離子冷卻至極低的溫度，極大地降低離子的運(yùn)動(dòng)速度，避免離子與容器壁之間的碰撞，延長(zhǎng)離子與電磁場(chǎng)的作用時(shí)間，可大幅度提高頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。利用離子阱原理研發(fā)的原子鐘，即為離子阱原子鐘。

離子阱原子鐘基本不受實(shí)物粒子和電磁場(chǎng)擾動(dòng)的影響，運(yùn)動(dòng)效應(yīng)小，量子態(tài)相干時(shí)間長(zhǎng)，其準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度高，相對(duì)較易實(shí)現(xiàn)小型化，非常適合應(yīng)用于空間系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代末，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)提出和開發(fā)了新的線型阱199Hg+鐘，前期采用選態(tài)、檢測(cè)區(qū)、微波共振區(qū)合一的單區(qū)式結(jié)構(gòu)；1994年后，JPL又開發(fā)出選態(tài)、檢測(cè)和微波共振區(qū)分離的分區(qū)式線型阱199Hg+鐘，它具有更高的穩(wěn)定度、可靠性和空間環(huán)境適應(yīng)性，體積和質(zhì)量大大減小(體積為單區(qū)式的1/10，質(zhì)量約10 kg)[14]。鑒于離子阱原子鐘的優(yōu)良特性，它已作為GPS先進(jìn)的備選原子鐘得到大力支持。兩種用于空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的離子阱原子鐘也在研究中，其中包括199Hg+、171Yb+和111Cd+離子合為一體的線型離子阱鐘，將用于深空探測(cè)航天器。

離子阱原子鐘物理部分的關(guān)鍵技術(shù)主要包括離子阱(特別是線性阱的設(shè)計(jì)與構(gòu)建技術(shù))和超低溫冷卻技術(shù)，在空間應(yīng)用時(shí)還包括小型化技術(shù)(特別是物理部分的小型化)，要采用多極阱、組合阱技術(shù)。JPL的小型化汞離子鐘采用4極阱和16極阱的組合阱方式，可在極小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的囚禁；同時(shí)，為避免離子的碰撞、延長(zhǎng)測(cè)量時(shí)間，對(duì)離子進(jìn)行超低溫冷卻[15]。

目前，汞離子鐘可以大致分為汞離子微波鐘和汞離子光鐘。汞離子微波鐘是把超高穩(wěn)定的晶振鎖定到微波頻段的量子躍遷頻率(約1010Hz)，而汞離子光鐘是把激光頻率鎖定到光學(xué)頻段的量子躍遷頻率(約1015Hz)。由于光學(xué)頻率比微波頻率要高約5個(gè)數(shù)量級(jí)，而現(xiàn)有的電子技術(shù)難以直接合成出這么高的頻率，因此為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很大的困難。JPL研發(fā)的汞離子鐘的天穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到10-17量級(jí)，且實(shí)現(xiàn)了小型化，計(jì)劃用于NASA深空探測(cè)任務(wù)的汞離子鐘體積僅有3000 cm3，質(zhì)量不超過(guò)3 kg[14]。2012年，NASA啟動(dòng)了深空原子鐘(DSAC)項(xiàng)目[14]。其研發(fā)的小型線型阱汞離子鐘(見(jiàn)圖2)，采用4極與16極組合射頻離子阱構(gòu)型，離子阱部分密封在真空管中，質(zhì)量約3 kg，體積不超過(guò)3000 cm3，萬(wàn)秒穩(wěn)定度為1×10-15。

圖2 DSAC項(xiàng)目汞離子鐘Fig.2 Hg+ ion atomic clock of DSAC

1.5 冷原子鐘

利用磁光阱技術(shù)、激光冷卻技術(shù)可將原子囚禁在規(guī)定區(qū)域內(nèi)，并使其溫度降低，保持在絕對(duì)零度附近(低于1 mK，一般為100 nK左右)。利用在此溫度下呈現(xiàn)的物理現(xiàn)象和量子光學(xué)測(cè)量技術(shù)研發(fā)的原子鐘，稱為冷原子鐘[16]。

目前，冷原子鐘的研究、發(fā)展重點(diǎn)為冷原子噴泉鐘和積分球冷原子鐘。相對(duì)于冷原子噴泉鐘，積分球冷原子鐘具有冷卻效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，其體積遠(yuǎn)小于冷原子噴泉鐘，在空間應(yīng)用方面具有非常大的潛力。歐洲的首個(gè)冷原子鐘空間演示驗(yàn)證項(xiàng)目——空間原子鐘組(ACES)計(jì)劃于2018年中期發(fā)射，利用“國(guó)際空間站”進(jìn)行為期1.5～3.0年的空間飛行演示驗(yàn)證，見(jiàn)圖3。

圖3 歐洲ACES項(xiàng)目PHARAO冷原子鐘Fig.3 Europe ACES PHARAO clod atomic clock

冷原子鐘得到了歐美國(guó)家的高度重視，目前已完成數(shù)十臺(tái)各種類型冷原子鐘的研制(如冷原子噴泉鐘、冷原子光鐘等)，精度已經(jīng)達(dá)到10-16/天的等級(jí)，后續(xù)有可能達(dá)到10-17/天的量級(jí)。其中，冷原子光鐘的準(zhǔn)確度已經(jīng)達(dá)到10-17，未來(lái)有可能達(dá)到10-18。

2 空間原子鐘發(fā)展趨勢(shì)

2.1 空間原子鐘不斷更新?lián)Q代

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷發(fā)展及其對(duì)空間原子鐘性能需求的不斷提升，以及深空探測(cè)對(duì)空間原子鐘的需求，推動(dòng)與促進(jìn)了空間原子鐘技術(shù)的不斷發(fā)展。目前，美國(guó)、歐洲的第一代空間原子鐘，即磁選態(tài)原子鐘的性能已經(jīng)達(dá)到了10-14量級(jí)，可提升的空間非常有限。由于在小型化、成本、技術(shù)成熟度和可靠性等方面的優(yōu)勢(shì)，磁選態(tài)銣鐘仍將是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)空間原子鐘的重要選擇，特別是選擇裝備兩種類型空間原子鐘的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。美國(guó)脈沖光抽運(yùn)銫鐘技術(shù)已經(jīng)成熟，并已應(yīng)用于GPS-3A衛(wèi)星；歐洲也早已啟動(dòng)了空間應(yīng)用光抽運(yùn)原子鐘的研發(fā)工作，有望用于新一代“伽利略”衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原子鐘的更新?lián)Q代。就近期來(lái)看，空間原子鐘的研究主要圍繞對(duì)自主導(dǎo)航能力、衛(wèi)星壽命等影響較大的銫鐘、氫鐘展開，以提升導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性和漂移率，其中脈沖光抽運(yùn)銫鐘是當(dāng)前的首選。NASA小型化的汞離子鐘、歐洲的冷原子鐘均計(jì)劃在2018年開展空間飛行演示驗(yàn)證，可作為未來(lái)導(dǎo)航衛(wèi)星時(shí)間系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的重要支撐。

2.2 激光冷卻技術(shù)獲得廣泛應(yīng)用

激光冷卻技術(shù)為實(shí)現(xiàn)原子鐘技術(shù)從“熱原子”向“冷原子”的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。借助激光冷卻技術(shù)，可以使原子運(yùn)動(dòng)的速度由數(shù)百米每秒降低至小于1 m/s，大大延長(zhǎng)測(cè)量或觀測(cè)的時(shí)間，提高觀測(cè)、測(cè)量的分辨率與信噪比，減小原子鐘物理部分的尺寸，理論上可使電磁阱、磁光阱原子(離子)鐘的性能提升1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。從空間原子鐘技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，激光冷卻技術(shù)的應(yīng)用，不但能有效地提升空間原子鐘的性能，而且對(duì)于降低空間原子鐘的質(zhì)量、體積、功耗，延長(zhǎng)壽命均具有重要的意義和作用。因此，激光冷卻技術(shù)會(huì)成為空間原子鐘發(fā)展的支撐性關(guān)鍵技術(shù)，將在空間原子鐘技術(shù)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

2.3 更加依賴量子光學(xué)頻率測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

空間原子鐘性能的不斷提升，要求區(qū)分更加精細(xì)的原子(離子)躍遷能級(jí)，分辨更加精細(xì)的躍遷譜線。隨著具有更高精度與穩(wěn)定度的離子阱原子鐘、冷原子鐘(天穩(wěn)定度達(dá)到10-16～10-17或更高)的出現(xiàn)，現(xiàn)代微波頻率測(cè)量技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足其高精度頻率測(cè)量的要求。要獲得自然線寬非常窄的原子(離子)鐘躍遷譜線，需要更高頻率的測(cè)量與頻率合成等技術(shù)[16-17]。

量子光學(xué)頻率測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，解決了高精度光譜測(cè)量以及光譜測(cè)量與頻率測(cè)量的轉(zhuǎn)換問(wèn)題，解決了未來(lái)空間原子鐘技術(shù)發(fā)展面臨的高精度原子躍遷光譜的測(cè)量，以及光譜與時(shí)間、頻率轉(zhuǎn)換的難題，并為測(cè)量裝置的小型化提供了支撐。因此，空間原子鐘不斷提升準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度，將更多地依賴量子光學(xué)測(cè)量技術(shù)提供的超精細(xì)原子躍遷光譜的測(cè)量能力，以及光譜與時(shí)間、頻率的轉(zhuǎn)換能力。其中，高精度晶體振蕩器技術(shù)、倍頻技術(shù)、鎖相環(huán)技術(shù)等，是高精度微波測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

美國(guó)科學(xué)家John L.Hall和德國(guó)科學(xué)家Theodor W. Hansch發(fā)明了精度頻率測(cè)量技術(shù)[18]，在微波頻率與光學(xué)頻率之間建立了鏈接，并使光學(xué)頻率測(cè)量裝置大大簡(jiǎn)化，實(shí)現(xiàn)了更高頻率上原子躍遷譜線的高精度測(cè)量，為高精度原子(離子)鐘技術(shù)的空間應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)[14]。

2.4 需要更加可靠、穩(wěn)定的環(huán)境控制技術(shù)

空間原子鐘，尤其是其物理部分，一般都有多層屏蔽殼體的保護(hù)，以避免、降低空間環(huán)境對(duì)原子鐘的影響。但是，原子鐘還是會(huì)受到空間環(huán)境溫度與變化、外部靜電、磁場(chǎng)、電場(chǎng)與光環(huán)境的影響。因此，環(huán)境溫度控制與光、電、磁有效屏蔽與控制技術(shù)是保證空間原子鐘性能與長(zhǎng)壽命、高可靠運(yùn)行的重要條件。

目前，歐美大多通過(guò)靜電、磁場(chǎng)、電場(chǎng)的屏蔽，以及光環(huán)境設(shè)計(jì)和高穩(wěn)定度溫度控制的方式，采取組合溫控和多層屏蔽方案來(lái)改善或弱化靜電、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、光和溫度等環(huán)境因素對(duì)原子(離子)鐘的影響。技術(shù)途徑與技術(shù)手段的不斷創(chuàng)新是環(huán)境控制技術(shù)領(lǐng)域的典型特征。因此，繼承、創(chuàng)新、發(fā)展是提升環(huán)境控制技術(shù)水平與能力最有效的途徑。我國(guó)原子鐘環(huán)境控制技術(shù)的發(fā)展應(yīng)在跟蹤、借鑒的基礎(chǔ)上，以創(chuàng)新帶動(dòng)我國(guó)環(huán)境控制技術(shù)朝著更加可靠與穩(wěn)定的方向發(fā)展。

3 啟示與建議

空間原子鐘是重要的時(shí)間、頻率裝備，在一定程度上決定著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)性能與能力，決定著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在全球衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)能力。因此，更高精度、更好穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性的空間原子鐘技術(shù)，已經(jīng)成為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)性能、能力與技術(shù)制高點(diǎn)的重要競(jìng)爭(zhēng)方面。新一代原子鐘技術(shù)所涉及的激光冷卻技術(shù)、量子光學(xué)頻率測(cè)量技術(shù)等，也是支撐未來(lái)通信、遙感領(lǐng)域發(fā)展的重要關(guān)鍵技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用前景。可以說(shuō)，空間原子鐘技術(shù)的發(fā)展，不但是未來(lái)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、深空探測(cè)系統(tǒng)發(fā)展的重要支撐，也將推動(dòng)、促進(jìn)未來(lái)通信、遙感等領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，必須給予高度的重視。

3.1 充分挖掘現(xiàn)有原子鐘的技術(shù)潛力

目前，歐美衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用的磁選態(tài)銣鐘、銫鐘、被動(dòng)氫鐘已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，其穩(wěn)定性一般處于10-14水平。我國(guó)現(xiàn)有空間銣鐘在性能與體積、功耗和質(zhì)量等方面還有較大的提升空間。因此，應(yīng)優(yōu)化、完善現(xiàn)有的銣鐘技術(shù)，有效地提升、改善空間原子鐘的性能，提升北斗系統(tǒng)服務(wù)性能。我國(guó)空間磁選態(tài)銣鐘技術(shù)已經(jīng)較為成熟，且經(jīng)歷了惡劣空間環(huán)境的考驗(yàn)，應(yīng)在小型化、低功耗和性能方面作進(jìn)一步改進(jìn)，在繼承現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢(shì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)性能的提升，從而保證北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)服務(wù)性能的提升，并更加穩(wěn)定、可靠。

3.2 瞄準(zhǔn)原子鐘技術(shù)的前沿，預(yù)先研究與工程研發(fā)相結(jié)合

空間原子鐘技術(shù)是在地面原子鐘技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)小型化、強(qiáng)化抗輻射設(shè)計(jì)和溫度控制能力。從技術(shù)發(fā)展角度來(lái)看，原子(離子)囚禁、陷伏技術(shù)、激光冷卻技術(shù)、量子光學(xué)測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前空間原子鐘技術(shù)發(fā)展的前沿。要實(shí)現(xiàn)我國(guó)空間原子鐘技術(shù)的跨躍式發(fā)展，應(yīng)瞄準(zhǔn)這些前沿技術(shù)，開展有針對(duì)性的跟蹤與研究。

針對(duì)空間原子鐘領(lǐng)域的前沿技術(shù)，應(yīng)采取預(yù)先研究與工程研發(fā)相結(jié)合的方式。首先，根據(jù)空間原子鐘技術(shù)的發(fā)展規(guī)律與方向，按我國(guó)當(dāng)前的技術(shù)狀態(tài)與空間原子鐘技術(shù)發(fā)展規(guī)律，選擇3～5項(xiàng)支撐性關(guān)鍵技術(shù)開展預(yù)先研究；同時(shí)，選擇技術(shù)成熟度較高、又能較好地滿足北斗系統(tǒng)發(fā)展需求的項(xiàng)目，開展工程研發(fā)，完成原理驗(yàn)證、小型化、性能提升、可靠性與壽命增長(zhǎng)等研發(fā)工作?？臻g原子鐘技術(shù)的預(yù)先研究與工程研發(fā)的結(jié)合，要從頂層規(guī)劃開始，要與地面原子鐘技術(shù)的研發(fā)結(jié)合。一般，高性能空間原子鐘的研發(fā)需要十幾年、甚至數(shù)十年的時(shí)間(JPL從事汞離子鐘研發(fā)已經(jīng)近30年)。因此，我國(guó)空間原子鐘技術(shù)的發(fā)展要發(fā)揮體系的優(yōu)勢(shì)，建立國(guó)家層面、預(yù)先研究與工程研發(fā)相結(jié)合的系統(tǒng)規(guī)劃，從而實(shí)現(xiàn)空間原子鐘技術(shù)跨躍式發(fā)展。

3.3 提前布局，實(shí)現(xiàn)我國(guó)空間原子鐘的突破發(fā)展

高性能空間原子鐘的發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)、不斷改進(jìn)與完善的過(guò)程，需要持續(xù)的研究與積累，才能取得突破。即使在地面光抽運(yùn)原子鐘技術(shù)較為成熟的條件下，美國(guó)、歐洲空間光抽運(yùn)原子鐘技術(shù)實(shí)現(xiàn)空間應(yīng)用也用10年以上的時(shí)間。我國(guó)首部空間冷原子鐘已經(jīng)隨天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射升空，并投入運(yùn)行，這對(duì)我國(guó)未來(lái)空間原子鐘技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。不過(guò)，它在體積、質(zhì)量、功耗等方面還不能滿足衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和深空探測(cè)航天器發(fā)展的需求，因此要持續(xù)地改進(jìn)與完善，不斷優(yōu)化性能并實(shí)現(xiàn)小型化。

為保證北斗系統(tǒng)的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)確立我國(guó)原子鐘技術(shù)發(fā)展的近、中、遠(yuǎn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)預(yù)研、研發(fā)與應(yīng)用同步發(fā)展的局面。從地面應(yīng)用原子鐘技術(shù)發(fā)展情況看，我國(guó)在脈沖光抽運(yùn)、相干布居囚禁、離子阱和冷原子鐘等技術(shù)領(lǐng)域均已開展了廣泛的研究，部分領(lǐng)域也取得了明顯的進(jìn)步，獲得了重要成果。2009年，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制的銫原子噴泉鐘，自評(píng)估準(zhǔn)確度2×10-15～5×10-15，天穩(wěn)定度為3×10-15～5×10-15；華東師范大學(xué)和中國(guó)科學(xué)院物理研究所的飛秒脈沖光學(xué)頻率測(cè)量技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平[2]；中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了大速度范圍、大數(shù)目的原子積分球分布冷卻方案，實(shí)現(xiàn)了約1 mK溫度，觀察到了積分球冷原子中的受激拉曼躍遷信號(hào)[18]。因此，依據(jù)國(guó)外原子鐘技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，以及我國(guó)原子鐘技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展實(shí)際和發(fā)展需求，我國(guó)應(yīng)以脈沖光抽運(yùn)原子鐘、相干布居囚禁原子為近期目標(biāo)，其中重點(diǎn)考慮對(duì)長(zhǎng)期自主導(dǎo)航具有重要支撐作用的脈沖光抽運(yùn)銫鐘，以提升未來(lái)北斗系統(tǒng)的自主導(dǎo)航能力；以高精度離子阱原子鐘和冷原子鐘為中遠(yuǎn)期目標(biāo)，長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，持續(xù)研發(fā)與改進(jìn)，以滿足北斗系統(tǒng)和未來(lái)深空探測(cè)項(xiàng)目的發(fā)展需求。

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