國外空間原子鐘發展研究

劉春保

(北京空間科技信息研究所，北京 100086)

空間原子鐘是衛星導航系統最重要的有效載荷，是其提供高精度定位、導航、授時服務的根本保障，也是支撐未來空間信息網絡、深空探測系統發展的支撐性關鍵技術。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，它要能夠承受空間環境的影響，實現長壽命、高可靠，從而滿足空間系統運行的要求。

一般而言，原子鐘的工作機理決定了原子鐘的性能，即原子能態的選擇精度、時間測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理，原子鐘可分為磁選態原子鐘(如目前衛星導航系統廣泛使用的銣鐘、銫鐘與被動氫鐘)、脈沖光抽運原子鐘(如美國GPS-3衛星采用的脈沖光抽運銫鐘)、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別是原子能態的選擇方法不同，使原子躍遷光譜的分辨率不同。

國外空間原子鐘主要應用于衛星導航領域。截至2017年6月，國外已經成功發射導航衛星230多顆，裝備不同類型的空間原子鐘770多部(全部為磁選態原子鐘)。未來，空間原子鐘的應用將向深空探測和空間科學試驗領域擴展。隨著空間原子鐘技術的發展，磁選態原子鐘(特別是銣鐘、銫鐘)的技術性能已經接近了理論極限。因此，為保證下一代衛星導航系統的發展，美國、歐洲、俄羅斯都已啟動了新型空間原子鐘的研發活動，重點包括脈沖光抽運原子鐘、離子阱原子鐘、冷原子鐘。本文主要介紹了以美國、歐洲和俄羅斯為代表的國外空間原子鐘的發展情況，分析了在研與未來空間原子鐘的發展趨勢，并提出了我國空間原子鐘的發展建議。

1 空間原子鐘發展情況

1.1 磁選態原子鐘

磁選態原子鐘的工作機理是：利用不均勻的磁場進行原子能態的選擇，進而利用相同能態的原子實現時間或頻率精確測量[1]。磁選態原子鐘是當前技術最成熟、空間應用最廣泛的原子鐘，主要包括銣鐘、銫鐘和被動氫鐘，GPS、“伽利略”系統、GLONASS和我國北斗系統分別選用磁選態銣鐘、銫鐘和被動氫鐘(PHM)中的一種或兩種。

磁選態原子鐘的天穩定度已經達到了5×10-14量級，由于原子能態的選擇不夠精細，其性能已經不能滿足越來越高的時間計量精度和衛星導航系統服務性能的要求[2-3]。美國是最早開展空間原子鐘研發的國家，應用于GPS的銣鐘、銫鐘代表著當前全球的領先水平。歐洲磁選態被動氫鐘的研發處于領先水平，特別是在小型化方面，但在高可靠與長壽命方面仍存在問題。歐洲“伽利略”系統與“印度區域衛星導航系統”(IRNSS)星載原子鐘大面積故障，即反映了這一問題。

1.1.1 磁選態銣鐘

磁選態銣鐘具有小型化程度高、成本低、可靠性高、技術成熟等特點，是當前國外所有衛星導航系統均采用的空間原子鐘。其中，美國GPS裝備的銣鐘性能最好，且經歷了長期空間運行的考驗，見表1。歐洲“伽利略”系統采用瑞士Spectratime公司研發的磁選態銣鐘，與GPS衛星磁選態銣鐘相比，其質量更小(見表2)[4-5]，但尚未經過長期空間運行的考驗。2017年1月，“伽利略”系統與印度IRNSS各有3部銣鐘發生故障；6月28日，IRNSS又有4部銣鐘發生故障，發生故障的銣鐘達到7部，是IRNSS在軌銣鐘總數的1/3。

表1 美國磁選態銣鐘

表2 “伽利略”系統磁選態銣鐘技術指標

1.1.2 磁選態銫鐘

沒有頻率漂移是磁選態銫鐘的一個重要優點，對衛星導航系統自主導航能力具有重要影響。在已經發展的2代6個型號GPS衛星中，除因研制拖延造成GPS-2R，2RM衛星放棄選用磁選態銫鐘外，GPS-1，2，2A，2F衛星均裝備2部磁選態銫鐘(見表3)。GPS-2F衛星采用Datum-Beverly公司研發Model FTS 4410型磁選態銫鐘，其物理部采用單束銫束管束光學方案，電子部分采用數字控制技術[3,6]。GLONASS現役衛星GLONASS-M采用MALACHITE公司研發的磁選態銫鐘，主要技術指標見表4[7]。當前，只有美國較好地解決了制約磁選態銫鐘空間應用的銫束管壽命問題。從表3和表4可以看出：GPS-2F衛星的磁選態銫鐘設計壽命已經達到10年，而GLONASS衛星的銫鐘設計壽命只略長于3年。

表3 GPS磁選態銫鐘技術指標

1.1.3 磁選態被動氫鐘

磁選態被動氫鐘的優點是長期穩定性好(較磁選態銣鐘高一個數量級)，這對衛星導航系統非常重要；目前，其明顯的缺點是質量、體積大，功耗高(可對比表1、表2中的磁選態銣鐘和表5中的磁選態被動氫鐘)，因而減小質量、體積，降低功耗是磁選態被動氫鐘空間應用首先要解決的問題。磁選態被動氫鐘是“伽利略”系統的主原子鐘，每顆衛星裝備2部。歐洲最初計劃研發磁選態主動氫鐘，但其質量、體積、功耗等均過高，因此在2000年決定調整研發方向，在主動氫鐘研發成果的基礎上研發被動氫鐘[5,8-9]。

俄羅斯正在研發磁選態被動氫鐘，計劃裝備增強型GLONASS-K和GLONASS-K2衛星。其中：增強型GLONASS-K衛星裝備的被動氫鐘質量25 kg，功耗54 W，設計壽命13.5年；GLONASS-K2衛星計劃裝備小型化被動氫鐘，質量12 kg，功耗50 W，設計壽命15年[10-11]。

表5 “伽利略”系統被動氫鐘技術指標

1.2 脈沖光抽運原子鐘

脈沖光抽運(POP)原子鐘是一種新型的原子鐘，以光抽運銫鐘為例，其物理部分工作原理見圖1。美國GPS-3A衛星采用Datum-Beverly公司研制的光抽運銫鐘，其樣機的準確度為10-13，秒穩定度達到6×10-12，天穩定度達到2×10-14，設計壽命10年。

與磁選態銫鐘相比，光抽運銫鐘具備如下優點。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束管結構簡單；④銫原子速度分布接近理論的馬克斯韋分布，可進行準確的二階多普勒頻移修正，有利于銫鐘準確度的提升。

注：F為原子能級，F′為激發態能級，θ為檢測激光與原子束運動方向的夾角。圖1 光抽運銫鐘物理部分工作原理Fig.1 Principle of physical section of optically pumped Cesium atomic clock

光抽運原子鐘的原子能級區分更加精細，但由于其與磁選態原子鐘一樣均使用“熱原子”，原子運動速度快，有效測量時間短，影響了原子鐘的性能。為此，需要降低原子的運動速度，增加有效測量時間，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等人在研究光抽運作用時發現了相干布居現象，并將其定義為：在雙光子共振的條件下，初態處在相干疊加態的原子，在與雙模相干場發生相互作用時，原子布居數出現穩恒狀態，這種現象稱為原子的相干布居囚禁現象。利用該原理研發的原子鐘即稱為相干布居囚禁原子鐘。主動相干布居囚禁原子鐘在穩定度等指標上明顯優于被動相干布居囚禁原子鐘；而后者則在質量、功耗等方面具有明顯優勢[12]。

主動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成。微波諧振腔是最重要的部件之一，要求質量因數高、諧振頻率穩定、場結構適宜等。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、工作模式等。銣泡的理論設計相對容易，但實現高品質卻比較困難，主要難點包括銣原子氣體的提純、緩沖氣體的選擇與配比、長壽命的實現等[13]。

主動相干布居囚禁原子鐘因其優越的星載性能已經得到歐美的重視。依托“伽利略”系統，意大利國家計量科學研究院(INRIM)研制了相干布居囚禁87Rb maser實驗裝置，其物理部分的功耗只有約0.5 W，秒穩定度達到3×10-12，萬秒穩定度達到3×10-14，體積、質量、功耗和性能方面均優越于當前的星載磁選態銣鐘和銫鐘，被確定為“伽利略”系統未來星原子鐘的換代產品。

從國外相干布居囚禁原子鐘的研發情況來看，主動相干布居囚禁原子鐘物理部分研發的主要難度在于微波諧振腔、磁屏蔽筒和銣泡的優化與不斷改進。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方法。

1.4 離子阱原子鐘

離子阱是通過施加在特定構型電極上的電磁場將帶電離子束縛在實驗裝置中，并將離子冷卻至極低的溫度，極大地降低離子的運動速度，避免離子與容器壁之間的碰撞，延長離子與電磁場的作用時間，可大幅度提高頻率的準確度和穩定度。利用離子阱原理研發的原子鐘，即為離子阱原子鐘。

離子阱原子鐘基本不受實物粒子和電磁場擾動的影響，運動效應小，量子態相干時間長，其準確度、穩定度高，相對較易實現小型化，非常適合應用于空間系統。20世紀80年代末，NASA噴氣推進實驗室(JPL)提出和開發了新的線型阱199Hg+鐘，前期采用選態、檢測區、微波共振區合一的單區式結構；1994年后，JPL又開發出選態、檢測和微波共振區分離的分區式線型阱199Hg+鐘，它具有更高的穩定度、可靠性和空間環境適應性，體積和質量大大減小(體積為單區式的1/10，質量約10 kg)[14]。鑒于離子阱原子鐘的優良特性，它已作為GPS先進的備選原子鐘得到大力支持。兩種用于空間科學實驗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，將用于深空探測航天器。

離子阱原子鐘物理部分的關鍵技術主要包括離子阱(特別是線性阱的設計與構建技術)和超低溫冷卻技術，在空間應用時還包括小型化技術(特別是物理部分的小型化)，要采用多極阱、組合阱技術。JPL的小型化汞離子鐘采用4極阱和16極阱的組合阱方式，可在極小的空間內實現對離子的囚禁；同時，為避免離子的碰撞、延長測量時間，對離子進行超低溫冷卻[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頻段的量子躍遷頻率(約1015Hz)。由于光學頻率比微波頻率要高約5個數量級，而現有的電子技術難以直接合成出這么高的頻率，因此為實際應用帶來很大的困難。JPL研發的汞離子鐘的天穩定度已經達到10-17量級，且實現了小型化，計劃用于NASA深空探測任務的汞離子鐘體積僅有3000 cm3，質量不超過3 kg[14]。2012年，NASA啟動了深空原子鐘(DSAC)項目[14]。其研發的小型線型阱汞離子鐘(見圖2)，采用4極與16極組合射頻離子阱構型，離子阱部分密封在真空管中，質量約3 kg，體積不超過3000 cm3，萬秒穩定度為1×10-15。

圖2 DSAC項目汞離子鐘Fig.2 Hg+ ion atomic clock of DSAC

1.5 冷原子鐘

利用磁光阱技術、激光冷卻技術可將原子囚禁在規定區域內，并使其溫度降低，保持在絕對零度附近(低于1 mK，一般為100 nK左右)。利用在此溫度下呈現的物理現象和量子光學測量技術研發的原子鐘，稱為冷原子鐘[16]。

目前，冷原子鐘的研究、發展重點為冷原子噴泉鐘和積分球冷原子鐘。相對于冷原子噴泉鐘，積分球冷原子鐘具有冷卻效率高、結構簡單、功耗低、易于小型化等優點，其體積遠小于冷原子噴泉鐘，在空間應用方面具有非常大的潛力。歐洲的首個冷原子鐘空間演示驗證項目——空間原子鐘組(ACES)計劃于2018年中期發射，利用“國際空間站”進行為期1.5～3.0年的空間飛行演示驗證，見圖3。

圖3 歐洲ACES項目PHARAO冷原子鐘Fig.3 Europe ACES PHARAO clod atomic clock

冷原子鐘得到了歐美國家的高度重視，目前已完成數十臺各種類型冷原子鐘的研制(如冷原子噴泉鐘、冷原子光鐘等)，精度已經達到10-16/天的等級，后續有可能達到10-17/天的量級。其中，冷原子光鐘的準確度已經達到10-17，未來有可能達到10-18。

2 空間原子鐘發展趨勢

2.1 空間原子鐘不斷更新換代

衛星導航系統的不斷發展及其對空間原子鐘性能需求的不斷提升，以及深空探測對空間原子鐘的需求，推動與促進了空間原子鐘技術的不斷發展。目前，美國、歐洲的第一代空間原子鐘，即磁選態原子鐘的性能已經達到了10-14量級，可提升的空間非常有限。由于在小型化、成本、技術成熟度和可靠性等方面的優勢，磁選態銣鐘仍將是未來一段時間內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星導航系統。美國脈沖光抽運銫鐘技術已經成熟，并已應用于GPS-3A衛星；歐洲也早已啟動了空間應用光抽運原子鐘的研發工作，有望用于新一代“伽利略”衛星，實現衛星導航系統原子鐘的更新換代。就近期來看，空間原子鐘的研究主要圍繞對自主導航能力、衛星壽命等影響較大的銫鐘、氫鐘展開，以提升導航衛星時間系統長期穩定性和漂移率，其中脈沖光抽運銫鐘是當前的首選。NASA小型化的汞離子鐘、歐洲的冷原子鐘均計劃在2018年開展空間飛行演示驗證，可作為未來導航衛星時間系統技術發展的重要支撐。

2.2 激光冷卻技術獲得廣泛應用

激光冷卻技術為實現原子鐘技術從“熱原子”向“冷原子”的發展奠定了基礎。借助激光冷卻技術，可以使原子運動的速度由數百米每秒降低至小于1 m/s，大大延長測量或觀測的時間，提高觀測、測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個數量級。從空間原子鐘技術的發展來看，激光冷卻技術的應用，不但能有效地提升空間原子鐘的性能，而且對于降低空間原子鐘的質量、體積、功耗，延長壽命均具有重要的意義和作用。因此，激光冷卻技術會成為空間原子鐘發展的支撐性關鍵技術，將在空間原子鐘技術領域獲得廣泛應用。

2.3 更加依賴量子光學頻率測量技術的發展

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

量子光學頻率測量技術的出現，解決了高精度光譜測量以及光譜測量與頻率測量的轉換問題，解決了未來空間原子鐘技術發展面臨的高精度原子躍遷光譜的測量，以及光譜與時間、頻率轉換的難題，并為測量裝置的小型化提供了支撐。因此，空間原子鐘不斷提升準確度、穩定度，將更多地依賴量子光學測量技術提供的超精細原子躍遷光譜的測量能力，以及光譜與時間、頻率的轉換能力。其中，高精度晶體振蕩器技術、倍頻技術、鎖相環技術等，是高精度微波測量技術領域的關鍵技術。

美國科學家John L.Hall和德國科學家Theodor W. Hansch發明了精度頻率測量技術[18]，在微波頻率與光學頻率之間建立了鏈接，并使光學頻率測量裝置大大簡化，實現了更高頻率上原子躍遷譜線的高精度測量，為高精度原子(離子)鐘技術的空間應用提供了重要基礎[14]。

2.4 需要更加可靠、穩定的環境控制技術

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，以避免、降低空間環境對原子鐘的影響。但是，原子鐘還是會受到空間環境溫度與變化、外部靜電、磁場、電場與光環境的影響。因此，環境溫度控制與光、電、磁有效屏蔽與控制技術是保證空間原子鐘性能與長壽命、高可靠運行的重要條件。

目前，歐美大多通過靜電、磁場、電場的屏蔽，以及光環境設計和高穩定度溫度控制的方式，采取組合溫控和多層屏蔽方案來改善或弱化靜電、磁場、電場、光和溫度等環境因素對原子(離子)鐘的影響。技術途徑與技術手段的不斷創新是環境控制技術領域的典型特征。因此，繼承、創新、發展是提升環境控制技術水平與能力最有效的途徑。我國原子鐘環境控制技術的發展應在跟蹤、借鑒的基礎上，以創新帶動我國環境控制技術朝著更加可靠與穩定的方向發展。

3 啟示與建議

空間原子鐘是重要的時間、頻率裝備，在一定程度上決定著衛星導航系統的服務性能與能力，決定著衛星導航系統在全球衛星導航應用領域的競爭能力。因此，更高精度、更好穩定性與準確性的空間原子鐘技術，已經成為衛星導航系統性能、能力與技術制高點的重要競爭方面。新一代原子鐘技術所涉及的激光冷卻技術、量子光學頻率測量技術等，也是支撐未來通信、遙感領域發展的重要關鍵技術，有著廣泛的應用前景。可以說，空間原子鐘技術的發展，不但是未來導航衛星系統、深空探測系統發展的重要支撐，也將推動、促進未來通信、遙感等領域技術的發展，必須給予高度的重視。

3.1 充分挖掘現有原子鐘的技術潛力

目前，歐美衛星導航系統使用的磁選態銣鐘、銫鐘、被動氫鐘已經達到了很高的水平，其穩定性一般處于10-14水平。我國現有空間銣鐘在性能與體積、功耗和質量等方面還有較大的提升空間。因此，應優化、完善現有的銣鐘技術，有效地提升、改善空間原子鐘的性能，提升北斗系統服務性能。我國空間磁選態銣鐘技術已經較為成熟，且經歷了惡劣空間環境的考驗，應在小型化、低功耗和性能方面作進一步改進，在繼承現有技術的優勢的同時實現性能的提升，從而保證北斗衛星導航系統服務性能的提升，并更加穩定、可靠。

3.2 瞄準原子鐘技術的前沿，預先研究與工程研發相結合

空間原子鐘技術是在地面原子鐘技術發展的基礎上，實現小型化、強化抗輻射設計和溫度控制能力。從技術發展角度來看，原子(離子)囚禁、陷伏技術、激光冷卻技術、量子光學測量技術是當前空間原子鐘技術發展的前沿。要實現我國空間原子鐘技術的跨躍式發展，應瞄準這些前沿技術，開展有針對性的跟蹤與研究。

針對空間原子鐘領域的前沿技術，應采取預先研究與工程研發相結合的方式。首先，根據空間原子鐘技術的發展規律與方向，按我國當前的技術狀態與空間原子鐘技術發展規律，選擇3～5項支撐性關鍵技術開展預先研究；同時，選擇技術成熟度較高、又能較好地滿足北斗系統發展需求的項目，開展工程研發，完成原理驗證、小型化、性能提升、可靠性與壽命增長等研發工作。空間原子鐘技術的預先研究與工程研發的結合，要從頂層規劃開始，要與地面原子鐘技術的研發結合。一般，高性能空間原子鐘的研發需要十幾年、甚至數十年的時間(JPL從事汞離子鐘研發已經近30年)。因此，我國空間原子鐘技術的發展要發揮體系的優勢，建立國家層面、預先研究與工程研發相結合的系統規劃，從而實現空間原子鐘技術跨躍式發展。

3.3 提前布局，實現我國空間原子鐘的突破發展

高性能空間原子鐘的發展是一個循序漸進、不斷改進與完善的過程，需要持續的研究與積累，才能取得突破。即使在地面光抽運原子鐘技術較為成熟的條件下，美國、歐洲空間光抽運原子鐘技術實現空間應用也用10年以上的時間。我國首部空間冷原子鐘已經隨天宮二號空間實驗室發射升空，并投入運行，這對我國未來空間原子鐘技術的發展具有重要意義。不過，它在體積、質量、功耗等方面還不能滿足衛星導航系統和深空探測航天器發展的需求，因此要持續地改進與完善，不斷優化性能并實現小型化。

為保證北斗系統的發展，應當確立我國原子鐘技術發展的近、中、遠目標，實現預研、研發與應用同步發展的局面。從地面應用原子鐘技術發展情況看，我國在脈沖光抽運、相干布居囚禁、離子阱和冷原子鐘等技術領域均已開展了廣泛的研究，部分領域也取得了明顯的進步，獲得了重要成果。2009年，中國計量科學研究院研制的銫原子噴泉鐘，自評估準確度2×10-15～5×10-15，天穩定度為3×10-15～5×10-15；華東師范大學和中國科學院物理研究所的飛秒脈沖光學頻率測量技術達到國際領先水平[2]；中國科學院上海光學精密機械研究所提出了大速度范圍、大數目的原子積分球分布冷卻方案，實現了約1 mK溫度，觀察到了積分球冷原子中的受激拉曼躍遷信號[18]。因此，依據國外原子鐘技術發展現狀和未來發展趨勢，以及我國原子鐘技術領域的發展實際和發展需求，我國應以脈沖光抽運原子鐘、相干布居囚禁原子為近期目標，其中重點考慮對長期自主導航具有重要支撐作用的脈沖光抽運銫鐘，以提升未來北斗系統的自主導航能力；以高精度離子阱原子鐘和冷原子鐘為中遠期目標，長遠規劃，持續研發與改進，以滿足北斗系統和未來深空探測項目的發展需求。

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