芯片級原子鐘在Micro-PNT中的應(yīng)用

郭 平，趙建業(yè)

（北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 100871）

近幾十年來，隨著科技的不斷發(fā)展和需求的增長，PNT技術(shù)取得了長足的進(jìn)步，如定位精度越來越高，PNT方式多種多樣等。如今，互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展越來越火熱，人們希望實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)，而這些需求（特別是自動駕駛等移動物體的互聯(lián)）對PNT技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)，即要求PNT裝置小型化，高精度，低功耗、魯棒性強(qiáng)等。本文著眼于未來萬物互聯(lián)的時(shí)代需求，主要簡介將目前比較成熟的芯片級CPT原子鐘技術(shù)與經(jīng)典的PNT技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)具有小型化、高精度、低功耗和適用性廣等優(yōu)點(diǎn)的Micro-PNT技術(shù)。

1 PNT技術(shù)

目前存在多種多樣的PNT技術(shù)，如GNSS導(dǎo)航，INS導(dǎo)航，地磁導(dǎo)航、重力場導(dǎo)航等。其中應(yīng)用最廣、研究成熟度最深的當(dāng)屬GNSS和INS技術(shù)。

1.1 GNSS技術(shù)

GNSS目前應(yīng)用最廣泛，不僅僅在軍事上大放光彩，也早已進(jìn)入千家萬戶。GNSS主要包括美國的GPS、俄國的GLONASS、歐盟的Galileo和中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。GNSS由導(dǎo)航衛(wèi)星、地面測控臺站和用戶PNT設(shè)備三部分組成。用戶接收一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘時(shí)間等觀測量，加上用戶鐘差改正，可以得到自己的位置、時(shí)刻等信息，實(shí)現(xiàn)PNT服務(wù)。GNSS能夠在地球表面或近地空間的任何地點(diǎn)為用戶提供全天候的3維坐標(biāo)、速度和時(shí)間等信息。

1.2 INS技術(shù)

INS系統(tǒng)由時(shí)鐘、陀螺儀和加速度計(jì)等敏感元件組成，陀螺儀和加速度計(jì)等傳感器探測物體的加速度、角速度等參數(shù)，時(shí)鐘信號提供準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。INS系統(tǒng)一般直接安裝在移動物體上，在已知移動物體的初始位置和姿態(tài)等信息后，便可以依據(jù)陀螺儀、加速度計(jì)等傳感器探測到的參數(shù)對時(shí)間積分，從而解析出自己的位置、速度和姿態(tài)等信息。因此，INS是一種不依賴外部信息的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，不受外界干擾。

2 芯片級CPT原子鐘

2.1 CPT原理

相干布居囚禁現(xiàn)象（CPT）最早由G.Alzetta在1976年發(fā)現(xiàn)，該現(xiàn)象最初描述的是多模染料激光器照射鈉原子時(shí)透射光強(qiáng)的變化[1]。以銣原子為例：

圖1 87Rb的三能級結(jié)構(gòu)

圖2 CPT現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)

圖1為87Rb的三能級結(jié)構(gòu)，電子由基態(tài)超精細(xì)能級|2＞，|1＞躍遷到激發(fā)態(tài)能級|3＞的躍遷頻率分別為ω1、ω2。兩個超精細(xì)能級頻率差為 ω0=|ω1-ω2|。

圖2為研究CPT現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖。一束激光入射銣原子氣室，當(dāng)該激光的頻率等于ω1或ω2時(shí)，銣原子受激吸收和輻射，此時(shí)透射光變?nèi)醵鵁晒庠鰪?qiáng)。兩束頻率分別為ω1和ω2的相干激光同時(shí)入射銣原子氣室時(shí)，銣原子不再吸收光子躍遷到激發(fā)態(tài)，而是囚禁在基態(tài)能級，此時(shí)透射光不變?nèi)跚覠晒獠辉鰪?qiáng)，這種現(xiàn)象即稱之為相干布居囚禁。

2.2 芯片級原子鐘樣機(jī)

CPT原子鐘是目前唯一能夠?qū)崿F(xiàn)的被動式芯片級原子鐘，以商業(yè)化芯片銫原子鐘SA.45s為例，其具有小體積（小于16cm3），高穩(wěn)定度（千秒穩(wěn)進(jìn)入10-12量級），低功耗（小于120mW）等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)室也已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)多臺CPT芯片級原子鐘樣機(jī)，體積小于20cm3，千秒穩(wěn)進(jìn)入10-12量級，功耗小于130 mW[2]。

3 芯片級原子鐘在Micro-PNT中的應(yīng)用

3.1 Micro-PNT的提出背景

GNSS系統(tǒng)具有信號覆蓋范圍廣、全天候、精度高、使用便捷、用戶量無限制和性價(jià)比高等突出優(yōu)勢。但其缺點(diǎn)也不容忽視，如GNSS衛(wèi)星有時(shí)也會出現(xiàn)故障，維修不方便；GNSS的信號微弱，非常容易受自然界和人為電磁波的干擾和欺騙，美國聯(lián)邦航空局的GPS干擾實(shí)驗(yàn)顯示，使用1W的干擾機(jī)可以使200km內(nèi)的接收機(jī)無法正常工作[3]；此外，GNSS的信號無法到達(dá)地下室，高樓大廈內(nèi)部，森林和水下等。這些缺點(diǎn)使得GNSS PNT服務(wù)的可用性，連續(xù)性和可靠性難以得到可控保證[4]。INS 相對GNSS具有很多優(yōu)勢，如可以在地下室、高樓大廈內(nèi)部和水下使用，抗干擾能力強(qiáng)。因此INS服務(wù)的自主可用性、連續(xù)性可以得到保證。但是由于INS 系統(tǒng)所用的時(shí)鐘、加速度計(jì)和陀螺儀等元件具有無法消除的系統(tǒng)誤差，因此，隨著工作時(shí)間的累積，其誤差累積越來越大，導(dǎo)致INS系統(tǒng)無法用于長時(shí)間的PNT服務(wù)。若將INS與GNSS相結(jié)合，在GNSS信號良好時(shí)，接收GNSS信息用于修正INS的計(jì)算結(jié)果，實(shí)現(xiàn)二者優(yōu)勢互補(bǔ)[5]。

此外，現(xiàn)有超高靈敏慣性測量技術(shù)已進(jìn)入精度發(fā)展極限，武器平臺的小型化和緊湊化對導(dǎo)航定位提出了新的需求—發(fā)展高精度、小體積、低成本的導(dǎo)航定位授時(shí)的微系統(tǒng)。隨著微加工工藝和材料學(xué)的進(jìn)步，第三代基于量子力學(xué)的陀螺儀和芯片級原子鐘取得了長足的發(fā)展[6]。因此，美國國防先進(jìn)技術(shù)研究局（DARPA）提出了“微型定位、導(dǎo)航與授時(shí)系統(tǒng)”（Micro-PNT）技術(shù)。Micro-PNT并不是一個全新的技術(shù)項(xiàng)目，而是基于目前各種PNT技術(shù)的整合，將芯片級原子鐘與微INS系統(tǒng)集成為單片授時(shí)和慣性測量單元（Singlechip timing and Inertial Measurement Unit）TIMU，再與微 GNSS 系統(tǒng)結(jié)合，形成Micro-PNT系統(tǒng)[7]。

3.2 芯片級原子鐘在Micro-PNT中的優(yōu)勢

將穩(wěn)定度和精度更高的芯片級原子鐘應(yīng)用于Micro-PNT系統(tǒng)會從多個方面大大提高系統(tǒng)的性能。下面從幾個方面予以簡要介紹。

導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道信息是衛(wèi)星定位的基本要素，其誤差會直接影響用戶定位的精度。GNSS在解算速度位置等信息時(shí)，需要精準(zhǔn)的時(shí)間測量，包括GNSS 接收機(jī)時(shí)鐘信號和GNSS衛(wèi)星時(shí)鐘信號。接收機(jī)時(shí)鐘信號一般由晶振提供，精度不及衛(wèi)星星載原子鐘的高，其鐘差漂移一般可以作為定位測速誤差公共項(xiàng)進(jìn)行消除。但接收機(jī)時(shí)鐘對衛(wèi)星導(dǎo)航信號的快速捕獲、精密跟蹤等性能影響是巨大的。目前，GNSS接收機(jī)常用的晶振主要有以下幾種：普通晶振（SPXO）、壓控晶振（VCXO）、溫補(bǔ)晶振（TCXO）、恒溫晶振（OCXO）與原子鐘（以商業(yè)化芯片級原子鐘SA.45s 為例）。其性能對比如表1所示：

表1 晶振與芯片級原子鐘主要指標(biāo)對比

晶振的長期穩(wěn)定性表現(xiàn)為晶振的年老化率，隨著接收機(jī)停用貯存時(shí)間的增加，當(dāng)其頻偏超過了該機(jī)的多普勒捕獲范圍（一般為±10kHz）時(shí)，會導(dǎo)致接收機(jī)無法捕獲部分衛(wèi)星，影響信號捕獲[7]。由表1 可知，芯片級原子鐘的年老化率相比OCXO提升了一個量級，相比TCXO提升了兩個量級。因此采用芯片級原子鐘的衛(wèi)星接收機(jī)可以延長其停機(jī)待用（或貯存即用）時(shí)間十倍以上，不會因?yàn)轭l偏超出多普勒捕獲范圍而導(dǎo)致無法接收衛(wèi)星信號。

衛(wèi)星接收機(jī)接收信號時(shí)會引入噪聲，晶振也會受到外部的干擾，使得其輸出頻率信號發(fā)生波動和偏差，在偏差或誤差較大時(shí)，可能會超出信號載波跟蹤環(huán)的1σ經(jīng)驗(yàn)門限，引起環(huán)路失鎖。分析表明，性能良好的GNSS接收機(jī)最好選用短穩(wěn)優(yōu)于1×10-9的晶振[8]。由表1可知，芯片級原子鐘的短期穩(wěn)定度優(yōu)于TCXO和OCXO，能更好的滿足接收載波跟蹤環(huán)的設(shè)計(jì)要求。

葉大綱等人研究發(fā)現(xiàn)，將固定站中的石英鐘頻率源替換為銣原子鐘后，其接收定位精度會有較大提升。在固定站中使用的石英鐘通常為高穩(wěn)定石英鐘，3秒頻穩(wěn)為1.10×10-10，120秒頻穩(wěn)為4.78×10-11，替換的銣原子鐘3秒頻穩(wěn)為4.21×10-12，120秒頻穩(wěn)為1.24×10-12。替換之后，銣原子鐘在頻率穩(wěn)定度方面（取30秒）優(yōu)于石英鐘2個量級。在短距離靜態(tài)相對定位中，不論N方向或E方向，表現(xiàn)差不多。但在高程方向的定位上，使用銣原子鐘后的定位精度由8.2mm提升為3.8mm，提升了54%。在長距離靜態(tài)相對定位中，E方向上定位精度由6.1mm 提升為4.6mm，高程方向定位上，由12.7mm提升為11.1mm[9]。在便攜式GNSS接收機(jī)中，其使用的較好的晶振短穩(wěn)為5×10-10，芯片級原子鐘短穩(wěn)為3×10-10，百秒穩(wěn)為3×10-11。因此，同理可以推斷，若將GNSS接收機(jī)的晶振替換為芯片級原子鐘，其定位精度同樣會有很大的提升。此外，如果GNSS接收機(jī)的時(shí)鐘足夠穩(wěn)定，那么就可以預(yù)測本機(jī)時(shí)鐘即將會發(fā)生的偏差，使定位導(dǎo)航解算過程中的未知數(shù)減少到三個，實(shí)現(xiàn)快速捕獲跟蹤定位求解。如果仍然能夠獲得四個衛(wèi)星觀測值的話，多余的一個測量值可以用來提高精度、可用度和可靠性[10]。

在INS系統(tǒng)中，INS的測量參數(shù)為加速度計(jì)測量的加速度和陀螺儀測量的角速度等，對測量的參量進(jìn)行時(shí)間（由時(shí)鐘提供）積分得到速度，位移等信息，若由芯片級原子鐘提供時(shí)鐘信號，那么其時(shí)鐘穩(wěn)定度將會提升一個量級左右，在加速度計(jì)和陀螺儀相同的誤差情況下，對時(shí)間積分的結(jié)果，其精度也會提升一個量級。

在Micro-PNT中，芯片級原子鐘同時(shí)對接收機(jī)、加速度計(jì)和陀螺儀等提供高精度的時(shí)鐘信號，這將顯著的提升Micro-PNT系統(tǒng)的性能[11]。

3.3 芯片級原子鐘在Micro-PNT中的應(yīng)用構(gòu)想

美國最早提出Micro-PNT的設(shè)想，根據(jù)DARPA的一份文件顯示，Micro-PNT的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)如圖3所示。

圖3 Micro-PNT關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)[12]

從圖3可知，Micro-PNT的尺寸不超過8 mm3，重量2g左右，功耗1W左右[12]。

為了實(shí)現(xiàn)Micro-PNT的技術(shù)指標(biāo)，DARPA支持了芯片級原子鐘的相關(guān)研究并取得顯著成果，目前商業(yè)化的芯片級原子鐘SA.45s即為其成果之一。DARPA還支持了導(dǎo)航級集成微陀螺儀的研究，其中核磁共振陀螺獲得了巨大的進(jìn)步。為了實(shí)現(xiàn)Micro-PNT系統(tǒng)的集成化與微型化，就必須采用系統(tǒng)集成與互聯(lián)工藝。美國一些研究機(jī)構(gòu)基于此提出了Micro-PNT的實(shí)現(xiàn)構(gòu)想，將芯片級原子鐘與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)集成到一起，做成單片授時(shí)和慣性測量單元（Single-chip Timing and Iner tial Measurement Unit，TIMU）[13]，分別如圖4所示。

圖4 美國各研究機(jī)構(gòu)提出的TIMU方案[13]

圖4為多層和三維結(jié)構(gòu)的TIMU構(gòu)想，其中UC Irvine 的Andrei Shkel教授提出的三維TIMU結(jié)構(gòu)討論較多。

圖5 三維TIMU具體結(jié)構(gòu)[13]

圖5為該TIMU具體元件分布與尺寸，其中，只采用一個芯片級原子鐘作為主時(shí)鐘，用來為時(shí)間、同步和信號處理提供時(shí)間信號。最后，再將微型TIMU與微型化的GNSS接收機(jī)通過微加工工藝集成起來形成Micro-PNT。

4 結(jié)束語

Micro-PNT結(jié)合了GNSS和INS兩大導(dǎo)航系統(tǒng)，并且基于芯片級CPT原子鐘提供的高穩(wěn)定時(shí)鐘信號，極大地降低了INS的累積誤差，延長了INS單獨(dú)工作的時(shí)長，在具備可靠GNSS信號時(shí)又可以對時(shí)鐘和INS所計(jì)算的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。因此Micro-PNT 的魯棒性很強(qiáng)，同時(shí)，Micro-PNT具有小體積，低功耗，高精度的優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)，軍事領(lǐng)域和國家安全方面，特別是GNSS信號不佳的山洞、深淵、森林等極端環(huán)境之處。但另一方面，Micro-PNT技術(shù)也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。Micro-PNT 技術(shù)是一個復(fù)雜的體系，包含低功耗、微體積、高精度的芯片級原子鐘，高精度的陀螺儀，高精度的加速度計(jì)等，同時(shí)依賴于物理學(xué)、新材料和微加工工藝的進(jìn)步等，并且還需要各個系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。Micro-PNT中的所面臨的挑戰(zhàn)還需要一步步完成，這樣Micro-PNT技術(shù)才會成熟，才能更好發(fā)揮作用。