国外空间原子钟发展研究

刘春保

(北京空间科技信息研究所，北京 100086)

空间原子钟是卫星导航系统最重要的有效载荷，是其提供高精度定位、导航、授时服务的根本保障，也是支撑未来空间信息网络、深空探测系统发展的支撑性关键技术。与地面原子钟相比，空间原子钟最重要的典型特征是小型化，同时，它要能够承受空间环境的影响，实现长寿命、高可靠，从而满足空间系统运行的要求。

一般而言，原子钟的工作机理决定了原子钟的性能，即原子能态的选择精度、时间测量精度与光谱分辨率越高，原子钟的性能越好。按照原子钟物理部分的工作机理，原子钟可分为磁选态原子钟(如目前卫星导航系统广泛使用的铷钟、铯钟与被动氢钟)、脉冲光抽运原子钟(如美国GPS-3卫星采用的脉冲光抽运铯钟)、相干布居囚禁(CPT)原子钟、离子阱原子钟、冷原子钟等[1-3]。上述原子钟最重要的区别是原子能态的选择方法不同，使原子跃迁光谱的分辨率不同。

国外空间原子钟主要应用于卫星导航领域。截至2017年6月，国外已经成功发射导航卫星230多颗，装备不同类型的空间原子钟770多部(全部为磁选态原子钟)。未来，空间原子钟的应用将向深空探测和空间科学试验领域扩展。随着空间原子钟技术的发展，磁选态原子钟(特别是铷钟、铯钟)的技术性能已经接近了理论极限。因此，为保证下一代卫星导航系统的发展，美国、欧洲、俄罗斯都已启动了新型空间原子钟的研发活动，重点包括脉冲光抽运原子钟、离子阱原子钟、冷原子钟。本文主要介绍了以美国、欧洲和俄罗斯为代表的国外空间原子钟的发展情况，分析了在研与未来空间原子钟的发展趋势，并提出了我国空间原子钟的发展建议。

1 空间原子钟发展情况

1.1 磁选态原子钟

磁选态原子钟的工作机理是：利用不均匀的磁场进行原子能态的选择，进而利用相同能态的原子实现时间或频率精确测量[1]。磁选态原子钟是当前技术最成熟、空间应用最广泛的原子钟，主要包括铷钟、铯钟和被动氢钟，GPS、“伽利略”系统、GLONASS和我国北斗系统分别选用磁选态铷钟、铯钟和被动氢钟(PHM)中的一种或两种。

磁选态原子钟的天稳定度已经达到了5×10-14量级，由于原子能态的选择不够精细，其性能已经不能满足越来越高的时间计量精度和卫星导航系统服务性能的要求[2-3]。美国是最早开展空间原子钟研发的国家，应用于GPS的铷钟、铯钟代表着当前全球的领先水平。欧洲磁选态被动氢钟的研发处于领先水平，特别是在小型化方面，但在高可靠与长寿命方面仍存在问题。欧洲“伽利略”系统与“印度区域卫星导航系统”(IRNSS)星载原子钟大面积故障，即反映了这一问题。

1.1.1 磁选态铷钟

磁选态铷钟具有小型化程度高、成本低、可靠性高、技术成熟等特点，是当前国外所有卫星导航系统均采用的空间原子钟。其中，美国GPS装备的铷钟性能最好，且经历了长期空间运行的考验，见表1。欧洲“伽利略”系统采用瑞士Spectratime公司研发的磁选态铷钟，与GPS卫星磁选态铷钟相比，其质量更小(见表2)[4-5]，但尚未经过长期空间运行的考验。2017年1月，“伽利略”系统与印度IRNSS各有3部铷钟发生故障；6月28日，IRNSS又有4部铷钟发生故障，发生故障的铷钟达到7部，是IRNSS在轨铷钟总数的1/3。

表1 美国磁选态铷钟

表2 “伽利略”系统磁选态铷钟技术指标

1.1.2 磁选态铯钟

没有频率漂移是磁选态铯钟的一个重要优点，对卫星导航系统自主导航能力具有重要影响。在已经发展的2代6个型号GPS卫星中，除因研制拖延造成GPS-2R，2RM卫星放弃选用磁选态铯钟外，GPS-1，2，2A，2F卫星均装备2部磁选态铯钟(见表3)。GPS-2F卫星采用Datum-Beverly公司研发Model FTS 4410型磁选态铯钟，其物理部采用单束铯束管束光学方案，电子部分采用数字控制技术[3,6]。GLONASS现役卫星GLONASS-M采用MALACHITE公司研发的磁选态铯钟，主要技术指标见表4[7]。当前，只有美国较好地解决了制约磁选态铯钟空间应用的铯束管寿命问题。从表3和表4可以看出：GPS-2F卫星的磁选态铯钟设计寿命已经达到10年，而GLONASS卫星的铯钟设计寿命只略长于3年。

表3 GPS磁选态铯钟技术指标

1.1.3 磁选态被动氢钟

磁选态被动氢钟的优点是长期稳定性好(较磁选态铷钟高一个数量级)，这对卫星导航系统非常重要；目前，其明显的缺点是质量、体积大，功耗高(可对比表1、表2中的磁选态铷钟和表5中的磁选态被动氢钟)，因而减小质量、体积，降低功耗是磁选态被动氢钟空间应用首先要解决的问题。磁选态被动氢钟是“伽利略”系统的主原子钟，每颗卫星装备2部。欧洲最初计划研发磁选态主动氢钟，但其质量、体积、功耗等均过高，因此在2000年决定调整研发方向，在主动氢钟研发成果的基础上研发被动氢钟[5,8-9]。

俄罗斯正在研发磁选态被动氢钟，计划装备增强型GLONASS-K和GLONASS-K2卫星。其中：增强型GLONASS-K卫星装备的被动氢钟质量25 kg，功耗54 W，设计寿命13.5年；GLONASS-K2卫星计划装备小型化被动氢钟，质量12 kg，功耗50 W，设计寿命15年[10-11]。

表5 “伽利略”系统被动氢钟技术指标

1.2 脉冲光抽运原子钟

脉冲光抽运(POP)原子钟是一种新型的原子钟，以光抽运铯钟为例，其物理部分工作原理见图1。美国GPS-3A卫星采用Datum-Beverly公司研制的光抽运铯钟，其样机的准确度为10-13，秒稳定度达到6×10-12，天稳定度达到2×10-14，设计寿命10年。

与磁选态铯钟相比，光抽运铯钟具备如下优点。①原子利用率高，有利于提高信噪比；②铯炉温度较低，有利于提高铯钟寿命；③束管结构简单；④铯原子速度分布接近理论的马克斯韦分布，可进行准确的二阶多普勒频移修正，有利于铯钟准确度的提升。

注：F为原子能级，F′为激发态能级，θ为检测激光与原子束运动方向的夹角。图1 光抽运铯钟物理部分工作原理Fig.1 Principle of physical section of optically pumped Cesium atomic clock

光抽运原子钟的原子能级区分更加精细，但由于其与磁选态原子钟一样均使用“热原子”，原子运动速度快，有效测量时间短，影响了原子钟的性能。为此，需要降低原子的运动速度，增加有效测量时间，从而提高原子钟的精度。这一思路孕育了“冷原子钟”的概念。

1.3 相干布居囚禁原子钟

1976年，Alzetta等人在研究光抽运作用时发现了相干布居现象，并将其定义为：在双光子共振的条件下，初态处在相干叠加态的原子，在与双模相干场发生相互作用时，原子布居数出现稳恒状态，这种现象称为原子的相干布居囚禁现象。利用该原理研发的原子钟即称为相干布居囚禁原子钟。主动相干布居囚禁原子钟在稳定度等指标上明显优于被动相干布居囚禁原子钟；而后者则在质量、功耗等方面具有明显优势[12]。

主动相干布居囚禁铷钟物理部分主要由微波谐振腔、磁屏蔽筒和铷泡等构成。微波谐振腔是最重要的部件之一，要求质量因数高、谐振频率稳定、场结构适宜等。影响微波谐振腔性能的因素很多，包括材料、尺寸、形状、温度、填充介质、工作模式等。铷泡的理论设计相对容易，但实现高品质却比较困难，主要难点包括铷原子气体的提纯、缓冲气体的选择与配比、长寿命的实现等[13]。

主动相干布居囚禁原子钟因其优越的星载性能已经得到欧美的重视。依托“伽利略”系统，意大利国家计量科学研究院(INRIM)研制了相干布居囚禁87Rb maser实验装置，其物理部分的功耗只有约0.5 W，秒稳定度达到3×10-12，万秒稳定度达到3×10-14，体积、质量、功耗和性能方面均优越于当前的星载磁选态铷钟和铯钟，被确定为“伽利略”系统未来星原子钟的换代产品。

从国外相干布居囚禁原子钟的研发情况来看，主动相干布居囚禁原子钟物理部分研发的主要难度在于微波谐振腔、磁屏蔽筒和铷泡的优化与不断改进。由于影响物理部分性能的因素很多，目前尚未有成熟的技术方法。

1.4 离子阱原子钟

离子阱是通过施加在特定构型电极上的电磁场将带电离子束缚在实验装置中，并将离子冷却至极低的温度，极大地降低离子的运动速度，避免离子与容器壁之间的碰撞，延长离子与电磁场的作用时间，可大幅度提高频率的准确度和稳定度。利用离子阱原理研发的原子钟，即为离子阱原子钟。

离子阱原子钟基本不受实物粒子和电磁场扰动的影响，运动效应小，量子态相干时间长，其准确度、稳定度高，相对较易实现小型化，非常适合应用于空间系统。20世纪80年代末，NASA喷气推进实验室(JPL)提出和开发了新的线型阱199Hg+钟，前期采用选态、检测区、微波共振区合一的单区式结构；1994年后，JPL又开发出选态、检测和微波共振区分离的分区式线型阱199Hg+钟，它具有更高的稳定度、可靠性和空间环境适应性，体积和质量大大减小(体积为单区式的1/10，质量约10 kg)[14]。鉴于离子阱原子钟的优良特性，它已作为GPS先进的备选原子钟得到大力支持。两种用于空间科学实验的离子阱原子钟也在研究中，其中包括199Hg+、171Yb+和111Cd+离子合为一体的线型离子阱钟，将用于深空探测航天器。

离子阱原子钟物理部分的关键技术主要包括离子阱(特别是线性阱的设计与构建技术)和超低温冷却技术，在空间应用时还包括小型化技术(特别是物理部分的小型化)，要采用多极阱、组合阱技术。JPL的小型化汞离子钟采用4极阱和16极阱的组合阱方式，可在极小的空间内实现对离子的囚禁；同时，为避免离子的碰撞、延长测量时间，对离子进行超低温冷却[15]。

目前，汞离子钟可以大致分为汞离子微波钟和汞离子光钟。汞离子微波钟是把超高稳定的晶振锁定到微波频段的量子跃迁频率(约1010Hz)，而汞离子光钟是把激光频率锁定到光学频段的量子跃迁频率(约1015Hz)。由于光学频率比微波频率要高约5个数量级，而现有的电子技术难以直接合成出这么高的频率，因此为实际应用带来很大的困难。JPL研发的汞离子钟的天稳定度已经达到10-17量级，且实现了小型化，计划用于NASA深空探测任务的汞离子钟体积仅有3000 cm3，质量不超过3 kg[14]。2012年，NASA启动了深空原子钟(DSAC)项目[14]。其研发的小型线型阱汞离子钟(见图2)，采用4极与16极组合射频离子阱构型，离子阱部分密封在真空管中，质量约3 kg，体积不超过3000 cm3，万秒稳定度为1×10-15。

图2 DSAC项目汞离子钟Fig.2 Hg+ ion atomic clock of DSAC

1.5 冷原子钟

利用磁光阱技术、激光冷却技术可将原子囚禁在规定区域内，并使其温度降低，保持在绝对零度附近(低于1 mK，一般为100 nK左右)。利用在此温度下呈现的物理现象和量子光学测量技术研发的原子钟，称为冷原子钟[16]。

目前，冷原子钟的研究、发展重点为冷原子喷泉钟和积分球冷原子钟。相对于冷原子喷泉钟，积分球冷原子钟具有冷却效率高、结构简单、功耗低、易于小型化等优点，其体积远小于冷原子喷泉钟，在空间应用方面具有非常大的潜力。欧洲的首个冷原子钟空间演示验证项目——空间原子钟组(ACES)计划于2018年中期发射，利用“国际空间站”进行为期1.5～3.0年的空间飞行演示验证，见图3。

图3 欧洲ACES项目PHARAO冷原子钟Fig.3 Europe ACES PHARAO clod atomic clock

冷原子钟得到了欧美国家的高度重视，目前已完成数十台各种类型冷原子钟的研制(如冷原子喷泉钟、冷原子光钟等)，精度已经达到10-16/天的等级，后续有可能达到10-17/天的量级。其中，冷原子光钟的准确度已经达到10-17，未来有可能达到10-18。

2 空间原子钟发展趋势

2.1 空间原子钟不断更新换代

卫星导航系统的不断发展及其对空间原子钟性能需求的不断提升，以及深空探测对空间原子钟的需求，推动与促进了空间原子钟技术的不断发展。目前，美国、欧洲的第一代空间原子钟，即磁选态原子钟的性能已经达到了10-14量级，可提升的空间非常有限。由于在小型化、成本、技术成熟度和可靠性等方面的优势，磁选态铷钟仍将是未来一段时间内空间原子钟的重要选择，特别是选择装备两种类型空间原子钟的卫星导航系统。美国脉冲光抽运铯钟技术已经成熟，并已应用于GPS-3A卫星；欧洲也早已启动了空间应用光抽运原子钟的研发工作，有望用于新一代“伽利略”卫星，实现卫星导航系统原子钟的更新换代。就近期来看，空间原子钟的研究主要围绕对自主导航能力、卫星寿命等影响较大的铯钟、氢钟展开，以提升导航卫星时间系统长期稳定性和漂移率，其中脉冲光抽运铯钟是当前的首选。NASA小型化的汞离子钟、欧洲的冷原子钟均计划在2018年开展空间飞行演示验证，可作为未来导航卫星时间系统技术发展的重要支撑。

2.2 激光冷却技术获得广泛应用

激光冷却技术为实现原子钟技术从“热原子”向“冷原子”的发展奠定了基础。借助激光冷却技术，可以使原子运动的速度由数百米每秒降低至小于1 m/s，大大延长测量或观测的时间，提高观测、测量的分辨率与信噪比，减小原子钟物理部分的尺寸，理论上可使电磁阱、磁光阱原子(离子)钟的性能提升1～2个数量级。从空间原子钟技术的发展来看，激光冷却技术的应用，不但能有效地提升空间原子钟的性能，而且对于降低空间原子钟的质量、体积、功耗，延长寿命均具有重要的意义和作用。因此，激光冷却技术会成为空间原子钟发展的支撑性关键技术，将在空间原子钟技术领域获得广泛应用。

2.3 更加依赖量子光学频率测量技术的发展

空间原子钟性能的不断提升，要求区分更加精细的原子(离子)跃迁能级，分辨更加精细的跃迁谱线。随着具有更高精度与稳定度的离子阱原子钟、冷原子钟(天稳定度达到10-16～10-17或更高)的出现，现代微波频率测量技术已经无法满足其高精度频率测量的要求。要获得自然线宽非常窄的原子(离子)钟跃迁谱线，需要更高频率的测量与频率合成等技术[16-17]。

量子光学频率测量技术的出现，解决了高精度光谱测量以及光谱测量与频率测量的转换问题，解决了未来空间原子钟技术发展面临的高精度原子跃迁光谱的测量，以及光谱与时间、频率转换的难题，并为测量装置的小型化提供了支撑。因此，空间原子钟不断提升准确度、稳定度，将更多地依赖量子光学测量技术提供的超精细原子跃迁光谱的测量能力，以及光谱与时间、频率的转换能力。其中，高精度晶体振荡器技术、倍频技术、锁相环技术等，是高精度微波测量技术领域的关键技术。

美国科学家John L.Hall和德国科学家Theodor W. Hansch发明了精度频率测量技术[18]，在微波频率与光学频率之间建立了链接，并使光学频率测量装置大大简化，实现了更高频率上原子跃迁谱线的高精度测量，为高精度原子(离子)钟技术的空间应用提供了重要基础[14]。

2.4 需要更加可靠、稳定的环境控制技术

空间原子钟，尤其是其物理部分，一般都有多层屏蔽壳体的保护，以避免、降低空间环境对原子钟的影响。但是，原子钟还是会受到空间环境温度与变化、外部静电、磁场、电场与光环境的影响。因此，环境温度控制与光、电、磁有效屏蔽与控制技术是保证空间原子钟性能与长寿命、高可靠运行的重要条件。

目前，欧美大多通过静电、磁场、电场的屏蔽，以及光环境设计和高稳定度温度控制的方式，采取组合温控和多层屏蔽方案来改善或弱化静电、磁场、电场、光和温度等环境因素对原子(离子)钟的影响。技术途径与技术手段的不断创新是环境控制技术领域的典型特征。因此，继承、创新、发展是提升环境控制技术水平与能力最有效的途径。我国原子钟环境控制技术的发展应在跟踪、借鉴的基础上，以创新带动我国环境控制技术朝着更加可靠与稳定的方向发展。

3 启示与建议

空间原子钟是重要的时间、频率装备，在一定程度上决定着卫星导航系统的服务性能与能力，决定着卫星导航系统在全球卫星导航应用领域的竞争能力。因此，更高精度、更好稳定性与准确性的空间原子钟技术，已经成为卫星导航系统性能、能力与技术制高点的重要竞争方面。新一代原子钟技术所涉及的激光冷却技术、量子光学频率测量技术等，也是支撑未来通信、遥感领域发展的重要关键技术，有着广泛的应用前景。可以说，空间原子钟技术的发展，不但是未来导航卫星系统、深空探测系统发展的重要支撑，也将推动、促进未来通信、遥感等领域技术的发展，必须给予高度的重视。

3.1 充分挖掘现有原子钟的技术潜力

目前，欧美卫星导航系统使用的磁选态铷钟、铯钟、被动氢钟已经达到了很高的水平，其稳定性一般处于10-14水平。我国现有空间铷钟在性能与体积、功耗和质量等方面还有较大的提升空间。因此，应优化、完善现有的铷钟技术，有效地提升、改善空间原子钟的性能，提升北斗系统服务性能。我国空间磁选态铷钟技术已经较为成熟，且经历了恶劣空间环境的考验，应在小型化、低功耗和性能方面作进一步改进，在继承现有技术的优势的同时实现性能的提升，从而保证北斗卫星导航系统服务性能的提升，并更加稳定、可靠。

3.2 瞄准原子钟技术的前沿，预先研究与工程研发相结合

空间原子钟技术是在地面原子钟技术发展的基础上，实现小型化、强化抗辐射设计和温度控制能力。从技术发展角度来看，原子(离子)囚禁、陷伏技术、激光冷却技术、量子光学测量技术是当前空间原子钟技术发展的前沿。要实现我国空间原子钟技术的跨跃式发展，应瞄准这些前沿技术，开展有针对性的跟踪与研究。

针对空间原子钟领域的前沿技术，应采取预先研究与工程研发相结合的方式。首先，根据空间原子钟技术的发展规律与方向，按我国当前的技术状态与空间原子钟技术发展规律，选择3～5项支撑性关键技术开展预先研究；同时，选择技术成熟度较高、又能较好地满足北斗系统发展需求的项目，开展工程研发，完成原理验证、小型化、性能提升、可靠性与寿命增长等研发工作。空间原子钟技术的预先研究与工程研发的结合，要从顶层规划开始，要与地面原子钟技术的研发结合。一般，高性能空间原子钟的研发需要十几年、甚至数十年的时间(JPL从事汞离子钟研发已经近30年)。因此，我国空间原子钟技术的发展要发挥体系的优势，建立国家层面、预先研究与工程研发相结合的系统规划，从而实现空间原子钟技术跨跃式发展。

3.3 提前布局，实现我国空间原子钟的突破发展

高性能空间原子钟的发展是一个循序渐进、不断改进与完善的过程，需要持续的研究与积累，才能取得突破。即使在地面光抽运原子钟技术较为成熟的条件下，美国、欧洲空间光抽运原子钟技术实现空间应用也用10年以上的时间。我国首部空间冷原子钟已经随天宫二号空间实验室发射升空，并投入运行，这对我国未来空间原子钟技术的发展具有重要意义。不过，它在体积、质量、功耗等方面还不能满足卫星导航系统和深空探测航天器发展的需求，因此要持续地改进与完善，不断优化性能并实现小型化。

为保证北斗系统的发展，应当确立我国原子钟技术发展的近、中、远目标，实现预研、研发与应用同步发展的局面。从地面应用原子钟技术发展情况看，我国在脉冲光抽运、相干布居囚禁、离子阱和冷原子钟等技术领域均已开展了广泛的研究，部分领域也取得了明显的进步，获得了重要成果。2009年，中国计量科学研究院研制的铯原子喷泉钟，自评估准确度2×10-15～5×10-15，天稳定度为3×10-15～5×10-15；华东师范大学和中国科学院物理研究所的飞秒脉冲光学频率测量技术达到国际领先水平[2]；中国科学院上海光学精密机械研究所提出了大速度范围、大数目的原子积分球分布冷却方案，实现了约1 mK温度，观察到了积分球冷原子中的受激拉曼跃迁信号[18]。因此，依据国外原子钟技术发展现状和未来发展趋势，以及我国原子钟技术领域的发展实际和发展需求，我国应以脉冲光抽运原子钟、相干布居囚禁原子为近期目标，其中重点考虑对长期自主导航具有重要支撑作用的脉冲光抽运铯钟，以提升未来北斗系统的自主导航能力；以高精度离子阱原子钟和冷原子钟为中远期目标，长远规划，持续研发与改进，以满足北斗系统和未来深空探测项目的发展需求。

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