一层一层剥开你的心——卫星导航原子钟


       时间测量越精密，位置解算就越。

       在卫星导航系统中，1纳秒（十亿分之一秒）的时间误差将导致0.3米的距离误差。要实现如此精密的时间测量，只有原子钟能做到。王文明说，原子钟是通过原子这一微小量子构件，实现普通钟表一般的“嘀嗒”声。不同的是，这种“嘀嗒”更均匀，表现为一种电磁波形式，通常听不见，只有通过微波信号处理技术才能输出。

       如何让原子钟的精密测量为我们所用？王文明举例说，跳大绳是大家非常熟悉的运动，当有人进入匀速摇动的大绳，随着它的节奏跳动，并记录一定时间内跳动的次数，就相当于人为地将这种时间间隔进行了输出。原子内部存在着上下两个能级结构，原子在其间跃迁发出的电磁波非常高。如果把原子量子构件比作大绳，当我们往里注入一个电磁波，让电磁波与原子二能级发生共振，就能将产生电磁波的振荡器锁定到原子二能级跃迁频率上。振荡器输出高频率信号，即可实现精密时间测量。目前导航卫星中普遍应用的氢、铷、铯原子钟，都是基于这一工作原理。

       在当前四大卫星导航系统中，美国GPS采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式。欧盟的伽利略、俄罗斯的三代格洛纳斯以及我国正在建设的北斗三号，均采用铷原子钟和被动型氢原子钟相结合的授时方式。

       在“老三样”原子钟里，铷原子钟具有体积小、重量轻、功耗低、技术难度较低、可靠性高等优势，被四大导航系统普遍采用。2007年，我国自主研制的铷原子钟上天服役，中国人终于有了自己的星载原子钟。北斗三号卫星采用了更高性能的铷原子钟和氢原子钟，铷原子钟天稳定度为E-14量级，氢原子钟天稳定度为E-15量级。

       氢原子钟分为主动和被动两种类型。主动型稳定度指标，但体积较大，一般用于地面守时。被动型的体积、重量和功耗相对较小，稳定度指标仅次于主动型，多用于地面移动平台和卫星。王文明说，被动型氢原子钟凭借独有的选态组件和储存泡结构特性，可获得较为理想的原子跃迁谱线，使其稳定度指标在“老三样”中，但研制难度也。其漂移率虽不及优选型铯原子钟，但足以保障导航系统实现半年以上的自主导航，这使它成为目前有竞争力的星载原子钟。