翟造成,李玉莹

(中国科学院上海天文台,上海200030)

0 引 言

传统铷原子钟和铯原子钟在卫星导航定位系统中作为星载原子钟已经获得重要应用。目前GPS和GLONASS系统都在实施卫星“现代化”计划和第三代卫星计划。这些升级和新建的系统对星载钟的要求更高,如“Galileo”系统的星载钟要求满足3×10-12τ-1/2的频率稳定度,其最好的稳定度“平底”为1×10-14。这样的稳定度指标,以上所述两种传统的星载原子钟(Rb和Cs)难以达到。近年来,随着激光冷却与囚禁原子技术发展,以及新物理原理的应用,新型原子钟技术的发展十分迅速,一方面人们在探索性能更高的标准;另一方面努力寻求小型化的新途径。因此,为了满足高性能卫星导航定位系统的发展,与这些导航系统有关的国家都纷纷实施研制开发新型星载原子钟计划。我们将介绍最有希望成为下一代星载原子钟的新产品和它的最新进展。

1 星载原子钟的使用现状

目前美国GPS和俄罗斯的GLONASS系统的星载原子钟,全部采用两种传统原子钟——谱灯光抽运Rb原子钟和磁选态Cs原子钟,在新建卫星导航定位系统中,如我国的“北斗”,欧盟的“GALILEO”,也都首选传统的Rb原子钟作为星载钟。

这两种传统星载原子钟现已实现3×10-12τ-1/2的稳定度,这差不多已是这种标准的极限,很难提高。尽管如此,但这两种标准为卫星导航定位系统的建立和发展立下了汗马功劳,至今仍是卫星导航定位系统星载钟的顶梁柱。

自从1974年第一个原子钟上天后,至今在空间的原子钟约500多个。其中100多个原子钟是最近10年发射上天的。初步估计,从1989年末到1990年初,平均每年有26个原子钟上天——主要是GPS和GLONOSS系统建设阶段。最近十年,平均每年10多个原子钟上天——系统更替阶段。估计今后发射率会增加到每年20多个原子钟,主要原因是GALILEO新建系统、GLONOSS的星座建设以及我国北斗系统和印度、日本的导航系统的需求。

2 星载原子钟的新发展

在传统星载Rb和Cs原子钟改进的同时,为适应卫星导航定位系统的“现代化”和第三代卫星系统的建立,利用新物理原理和新技术的新型星载原子钟的发展十分迅速,并取得了很好的进展。

2.1 星载氢原子钟

人们欣赏氢钟的稳定度指标,但对氢钟的体积大,重量重也留有深刻的印象。人们对氢钟能不能上天,始终有疑问。随着被动型氢钟的研制成功以及瑞士Spectratime公司为欧洲GALILEO卫星导航计划,成功研制18 kg的被动型小氢钟,并于2008年中期随Galileo第二颗实验星上天后,人们才逐渐消除疑虑。图1为GALILEO星载氢钟的实物照片。它的稳定度指标为1×10-12/s,10-15/d。目前,Spectratime正在研制15 kg更小的星载氢钟用于 GALILEO卫星导航系统。俄罗斯Kvarz公司开发GLONOSS系统的原子钟,日本的NICT和Anristsu公司合作开发用于Quasizenith GPS卫星增强系统的星载被动型小氢钟。

图1 Galileo星载氢钟

在国家项目的支持下,上海天文台与航天203所于2007年开始进行星载被动型氢钟预研任务,目前已实现样机的组装及性能测试。图2为它们的实物照片[1-2]。测试表明它们的稳定度为1～2×10-12/s,10-15/d。

另外,为满足国家战略需求,根据国家有关部署,航天510所目前也在着手进行被动型小氢钟的研制工作。

目前上海天文台与航天203所的小型被动氢钟样机正在进行模拟环境的例行试验,进行热真空试验、震动试验以及整机电磁兼容试验,以检验模样机的环境适应能力。

2.2 小型微波汞(Hg+)离子钟[3]

随着人类深空探测活动的日益频繁,深空探测器的跟踪与导航变得越来越重要。对空间原子钟提出了更高的要求,不仅精度高,而且功耗和体积小。而微波Hg离子钟有望能满足这一要求。

目前,美国JPL已制成一个工程样机,体积仅为3升,如图3所示。其长期稳定度为1×10-15/104s量级,短期稳定度1～2×10-13/s,可与地面主动型氢钟相媲美,而长期稳定度比目前空间Rb钟好100倍。这种小型汞离子钟采用真空密封管形式,从而大大减小外型尺寸,增加了可靠性。

图3 体积仅为3升的 Hg离子钟

中科院武汉物理数学研究所也正在积极开展离子(Hg+,Cd+)囚禁微波钟的研制,其中Hg+钟已实现闭环锁定,有了很好的进展。

2.3 激光抽运Cs原子钟[4-6]

激光抽运铯钟中,光抽运、态选择和检测将由固态二极管激光器实现,消除物理部分传统的“A”、“B”磁铁,减轻束管的重量,改善效率和钟性能。

法国Thales电子设备公司、巴黎天文台以及瑞士Neuchatel天文台在欧洲空间中心ESA的支持下,正在联合为“Galileo”卫星导航定位系统实施一项星载原子钟计划OSCC(A Space Cs beam Optically Pumped atomic clock for Galileo)。

激光抽运铯原子共振器的结构如图4所示。

图4 激光抽运 Cs共振器结构

欧空局的这一计划,要求OSCC星载铯原子钟满足“GALILEO”系统的要求:频率稳定度好于3×10-12τ-1/2,最好稳定度“平底”好于 1×10-14。重量要求小于10 kg,寿命大于12年。他们已制造了几个样机,最好的结果是1.5×10-12τ-1/2。

作为OSCC计划的伙伴之一的瑞士天文台,建造的另一个空间光抽运Cs束共振器样机OSCAR,已实现频率稳定度1.14×10-12τ-1/2的高水平,能满足“GALILEO”系统的要求。

OSCC星载钟研制小组认为,激光抽运Cs钟,由于采用光抽运技术,利用了全速度分布的原子以及有用原子增加一倍而有好的短稳,并且其长稳与被动型氢钟相当,而且由于它内在设计简单,它的制造和可靠性比被动氢钟将有强势改善。成为GPS和GLONASS星载钟的潜在替代品。

美国原Datum公司同时也为GPSⅢ开展光抽运铯原子钟4430OPCBT计划。在取样时间大于20000 s皆实现10-15的稳定度。

北京大学和航天203所合作也研制出激光抽运Cs钟样机,正在长期考机测试,有着很好的进展。

2.4 小型积分球原子钟[7-10]

法国天文台正在开展一个星载和空间用小型冷原子钟计划HORACE。它采用激光冷却技术。它的基本思想是把原子钟的所有相互作用(原子冷却,原子制备,微波探测和检测)都在同一地方发生,应用时序将各个阶段的作用分开。从而该钟可以减小到几升的体积。

HORACE钟的结构原理如图5所示。

研制的HORACE钟,其短期稳定度为5.5×10-13τ-1/2,3000 s稳定度为10-14量级。他们正在改进中期稳定度和估价准确度。

在光学抛光的球形谐振腔中利用激光的各向同性的漫散射冷却原子的方法,首先是由我国学者王育竹于1979年提出的[10],他们称其为积分球冷却技术。在国内,中国科学院上海光机所正在用他们提出的这种技术开展星载冷原子钟的研究,已实现闭环锁定并取得很好的进展[11]。图6为他们的ISCA原理样机。

2.5 脉冲激光抽运Rb原子钟[12-14]

影响传统铷钟稳定度的主要问题是光频移、微波腔牵引频移和光检噪声。被认为是目前限制该标准稳定度的主要因素。如果采用脉冲光抽运、脉冲微波Ramsey探测和钟跃迁检测并且这三个功能在时间上分时序控制进行,则可很好地解决传统铷钟存在的限制。脉冲光抽运(Pulsed Optically Pumped,POP)就是实现这种意图的很好技术。原子与微波场相互作用时,没有抽运光场存在,原子处于一个纯二能级系统,于是可以消除原子钟的光频移,提高原子钟的中、长期稳定度。

目前,意大利国家计量科学院INRIM,在欧空局ESA的资助下,正在开展POP Rb原子钟的研究,目的是使GALILEO系统的星载原子钟将来能更新换代。

INRIM的POP Rb原子钟已实现短稳1.2×10-12τ-1/2,长稳 7×10-15/d。由于其体积和重量的优势,作为星载钟有很好的潜在应用前景。

中科院上海光机所和国家授时中心也正积极开展这方面的研究,实现1×10-12/s的短期稳定度,取得了很好的进展。

2.6 CPT-maser[15-16]

利用相干布居囚禁(CPT)原理,相干囚禁在基态两个能级上的原子系统会产生宏观磁偶极矩,发生微波辐射,即相干微波辐射。若外面加一微波谐振腔储存此相干微波,则可实现maser机理,做成主动型CPT原子钟。

主动型CPT-maser原子钟,实现微波相干辐射不需要粒子数反转,因此微波辐射信号没有阈值限制。也无需象其它原子钟那样必须有原子选态和抽运装置,也不需真空系统,因此,可大大降低体积和重量。在欧洲,CPT-maser原子钟已被指定为“GALILEO”系统铷钟和氢钟的替代钟。

依托于欧洲“GALILEO”计划,意大利国家电子研究所(IEN)研制的样机已获得3×10-12τ-1/2的稳定度,中期稳定度达到10-14量级。近期,在军方的资助下,美国Kernco公司(GPS系统星载钟供应商之一)和美国海军导航研究所也正在进行CPT-maser钟的研制。

中科院武汉物理数学所和国家授时中心等单位也正积极开展这方面的研究,并取得了很好的进展。

3 结 论

为了满足卫星导航定位系统更新换代的需要,应用新物理原理和先进的激光技术的各种新颖原子钟作为空间(星载)钟的研究,正在许多国家中蓬勃地开展并取得了很好的进展。

卫星导航定位系统的建设和空间原子钟的研究,已经成为衡量一个国家科技实力和经济实力的重要标志。国外先进国家在积极推进现有卫星导航定位系统升级和新建系统的同时,大力支持和积极开发更先进、更实用的空间原子钟的努力值得我们借鉴。

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