導(dǎo)航衛(wèi)星與原子鐘

文/李會(huì)超

好萊塢大片《加勒比海盜5》重現(xiàn)了當(dāng)年大航海時(shí)代揚(yáng)帆遠(yuǎn)航的豪邁場(chǎng)景。對(duì)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(shí)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(shí)間時(shí)，才能利用天文學(xué)家們測(cè)量好的星圖和計(jì)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(jì)時(shí)器已經(jīng)可以將一天內(nèi)的誤差降低到幾秒的量級(jí)。

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(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)后，就能快速、精準(zhǔn)地確定自己的位置。國(guó)際上起步最早、應(yīng)用最廣泛同時(shí)也是最成熟的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)是美國(guó)的GPS衛(wèi)星系統(tǒng)。同時(shí)，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(guó)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(shí)間

▲早期的航海用時(shí)鐘，一般要固定在特殊的框架上以抵御船身?yè)u晃帶來的影響

有趣的是，在大航海時(shí)代幾百年后的衛(wèi)星導(dǎo)航的時(shí)代，精確的導(dǎo)航仍然和精確的時(shí)間測(cè)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(shí)間和位置信息的無線電信號(hào)，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(jī)接收信號(hào)的時(shí)間要比衛(wèi)星發(fā)送時(shí)間晚一些，一般將這兩個(gè)時(shí)間之間的間隔稱為時(shí)延。將時(shí)延乘上光速，便得到了衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離。當(dāng)終端同時(shí)測(cè)到與四顆或更多衛(wèi)星之間的距離分別是多少時(shí)，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(duì)時(shí)間的測(cè)量精度非常高。據(jù)估計(jì)，當(dāng)時(shí)間誤差為10納秒時(shí)，對(duì)應(yīng)的空間距離誤差就達(dá)到3米。日?；顒?dòng)中對(duì)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(shí)間數(shù)據(jù)。

在20世紀(jì)初，人們能利用的最精確的時(shí)間信號(hào)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(guó)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(shí)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(shí)間信號(hào)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(shí)間信號(hào)

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(shí)，它必須從一個(gè)樓層的地板移動(dòng)到另一個(gè)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(yǔ)來描述的話，不同的樓層被稱為“能級(jí)”，原子在不同樓層間移動(dòng)的過程稱為“躍遷”。原子下樓時(shí)，也就是從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，會(huì)釋放電磁波。對(duì)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(shí)間信號(hào)的。

上世紀(jì)30年代，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的物理學(xué)家拉比找到了利用這個(gè)物理學(xué)原理來精確獲得時(shí)間信號(hào)的實(shí)現(xiàn)方法。在磁場(chǎng)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(gè)特定“超精細(xì)狀態(tài)”的原子通過一個(gè)震蕩電磁場(chǎng)時(shí)，電磁場(chǎng)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(shí)，這時(shí)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(shí)間信號(hào)的基本節(jié)拍，也就是丈量時(shí)間的基本單位。目前，國(guó)際上對(duì)“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(gè)這樣的節(jié)拍所持續(xù)的時(shí)間。早期的原子鐘體積龐大，要占據(jù)一個(gè)房間的空間，實(shí)用性不強(qiáng)。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(tái)小型化、實(shí)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(cè)能量變化的手段。銫原子鐘的長(zhǎng)期穩(wěn)定性較好，可以幾天甚至十幾天不對(duì)誤差進(jìn)行修正。銣原子鐘在短時(shí)間內(nèi)的精度要好于銫原子鐘，但是時(shí)間稍長(zhǎng)就要對(duì)誤差進(jìn)行修正。而氫原子鐘則具備這兩者共同的優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)計(jì)相對(duì)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?yàn)闃訖C(jī)模型未能通過地面測(cè)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(xiàng)之初的一個(gè)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(guó)NIST-7銫原子鐘，曾經(jīng)在一段時(shí)間內(nèi)用于產(chǎn)生美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間

▲美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室用于為GPS系統(tǒng)同步時(shí)間的主時(shí)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(diǎn)。尤其是高可靠性，對(duì)于一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的正常運(yùn)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(yùn)行需要不斷發(fā)射新衛(wèi)星補(bǔ)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(huì)帶來不小的麻煩和損失。

過去，中國(guó)的原子鐘需要從國(guó)外進(jìn)口。進(jìn)口鐘不但價(jià)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(huì)給系統(tǒng)埋下巨大的潛在隱患。因此，在北斗系統(tǒng)立項(xiàng)之初，就明確了“實(shí)現(xiàn)國(guó)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(guó)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(shí)現(xiàn)國(guó)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(guó)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(guó)外導(dǎo)航技術(shù)的束縛，也標(biāo)志著中國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后能完全自主建立導(dǎo)航定位系統(tǒng)的國(guó)家。

▲小型化原子鐘樣機(jī)

▲晶體振蕩器

▲美國(guó)二十世紀(jì)七十年代通過NTS-2衛(wèi)星測(cè)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(dòng)”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(zhǎng)原子與微波作用的時(shí)間，從而可以獲得更高的時(shí)間精度。對(duì)于冷原子鐘來說，空間比地面更適合它工作，因?yàn)楹教炱髟谲夁\(yùn)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(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上，就搭載了我國(guó)科學(xué)家開展空間冷原子鐘試驗(yàn)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?cè)谔?yáng)系中不受引力影響的拉格朗日點(diǎn)各放置一臺(tái)冷原子鐘，人類就可以超越近地范圍、在太陽(yáng)系這個(gè)更大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位。同時(shí)，它還可以用于開展引力波、引力紅移的觀測(cè)，驗(yàn)證廣義相對(duì)論，為人類更深入的認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界提供幫助。