芯片级原子钟在Micro-PNT中的应用

郭 平，赵建业

（北京大学信息科学技术学院，北京 100871）

近几十年来，随着科技的不断发展和需求的增长，PNT技术取得了长足的进步，如定位精度越来越高，PNT方式多种多样等。如今，互联网和物联网发展越来越火热，人们希望实现万物互联，而这些需求（特别是自动驾驶等移动物体的互联）对PNT技术提出了新的挑战，即要求PNT装置小型化，高精度，低功耗、鲁棒性强等。本文着眼于未来万物互联的时代需求，主要简介将目前比较成熟的芯片级CPT原子钟技术与经典的PNT技术相结合，以实现具有小型化、高精度、低功耗和适用性广等优点的Micro-PNT技术。

1 PNT技术

目前存在多种多样的PNT技术，如GNSS导航，INS导航，地磁导航、重力场导航等。其中应用最广、研究成熟度最深的当属GNSS和INS技术。

1.1 GNSS技术

GNSS目前应用最广泛，不仅仅在军事上大放光彩，也早已进入千家万户。GNSS主要包括美国的GPS、俄国的GLONASS、欧盟的Galileo和中国的北斗导航系统。GNSS由导航卫星、地面测控台站和用户PNT设备三部分组成。用户接收一组卫星的伪距、星历、卫星时钟时间等观测量，加上用户钟差改正，可以得到自己的位置、时刻等信息，实现PNT服务。GNSS能够在地球表面或近地空间的任何地点为用户提供全天候的3维坐标、速度和时间等信息。

1.2 INS技术

INS系统由时钟、陀螺仪和加速度计等敏感元件组成，陀螺仪和加速度计等传感器探测物体的加速度、角速度等参数，时钟信号提供准确的计时。INS系统一般直接安装在移动物体上，在已知移动物体的初始位置和姿态等信息后，便可以依据陀螺仪、加速度计等传感器探测到的参数对时间积分，从而解析出自己的位置、速度和姿态等信息。因此，INS是一种不依赖外部信息的自主式导航系统，不受外界干扰。

2 芯片级CPT原子钟

2.1 CPT原理

相干布居囚禁现象（CPT）最早由G.Alzetta在1976年发现，该现象最初描述的是多模染料激光器照射钠原子时透射光强的变化[1]。以铷原子为例：

图1 87Rb的三能级结构

图2 CPT现象实验结构

图1为87Rb的三能级结构，电子由基态超精细能级|2＞，|1＞跃迁到激发态能级|3＞的跃迁频率分别为ω1、ω2。两个超精细能级频率差为 ω0=|ω1-ω2|。

图2为研究CPT现象的实验结构图。一束激光入射铷原子气室，当该激光的频率等于ω1或ω2时，铷原子受激吸收和辐射，此时透射光变弱而荧光增强。两束频率分别为ω1和ω2的相干激光同时入射铷原子气室时，铷原子不再吸收光子跃迁到激发态，而是囚禁在基态能级，此时透射光不变弱且荧光不增强，这种现象即称之为相干布居囚禁。

2.2 芯片级原子钟样机

CPT原子钟是目前唯一能够实现的被动式芯片级原子钟，以商业化芯片铯原子钟SA.45s为例，其具有小体积（小于16cm3），高稳定度（千秒稳进入10-12量级），低功耗（小于120mW）等优点。本实验室也已经成功实现多台CPT芯片级原子钟样机，体积小于20cm3，千秒稳进入10-12量级，功耗小于130 mW[2]。

3 芯片级原子钟在Micro-PNT中的应用

3.1 Micro-PNT的提出背景

GNSS系统具有信号覆盖范围广、全天候、精度高、使用便捷、用户量无限制和性价比高等突出优势。但其缺点也不容忽视，如GNSS卫星有时也会出现故障，维修不方便；GNSS的信号微弱，非常容易受自然界和人为电磁波的干扰和欺骗，美国联邦航空局的GPS干扰实验显示，使用1W的干扰机可以使200km内的接收机无法正常工作[3]；此外，GNSS的信号无法到达地下室，高楼大厦内部，森林和水下等。这些缺点使得GNSS PNT服务的可用性，连续性和可靠性难以得到可控保证[4]。INS 相对GNSS具有很多优势，如可以在地下室、高楼大厦内部和水下使用，抗干扰能力强。因此INS服务的自主可用性、连续性可以得到保证。但是由于INS 系统所用的时钟、加速度计和陀螺仪等元件具有无法消除的系统误差，因此，随着工作时间的累积，其误差累积越来越大，导致INS系统无法用于长时间的PNT服务。若将INS与GNSS相结合，在GNSS信号良好时，接收GNSS信息用于修正INS的计算结果，实现二者优势互补[5]。

此外，现有超高灵敏惯性测量技术已进入精度发展极限，武器平台的小型化和紧凑化对导航定位提出了新的需求—发展高精度、小体积、低成本的导航定位授时的微系统。随着微加工工艺和材料学的进步，第三代基于量子力学的陀螺仪和芯片级原子钟取得了长足的发展[6]。因此，美国国防先进技术研究局（DARPA）提出了“微型定位、导航与授时系统”（Micro-PNT）技术。Micro-PNT并不是一个全新的技术项目，而是基于目前各种PNT技术的整合，将芯片级原子钟与微INS系统集成为单片授时和惯性测量单元（Singlechip timing and Inertial Measurement Unit）TIMU，再与微 GNSS 系统结合，形成Micro-PNT系统[7]。

3.2 芯片级原子钟在Micro-PNT中的优势

将稳定度和精度更高的芯片级原子钟应用于Micro-PNT系统会从多个方面大大提高系统的性能。下面从几个方面予以简要介绍。

导航卫星的轨道信息是卫星定位的基本要素，其误差会直接影响用户定位的精度。GNSS在解算速度位置等信息时，需要精准的时间测量，包括GNSS 接收机时钟信号和GNSS卫星时钟信号。接收机时钟信号一般由晶振提供，精度不及卫星星载原子钟的高，其钟差漂移一般可以作为定位测速误差公共项进行消除。但接收机时钟对卫星导航信号的快速捕获、精密跟踪等性能影响是巨大的。目前，GNSS接收机常用的晶振主要有以下几种：普通晶振（SPXO）、压控晶振（VCXO）、温补晶振（TCXO）、恒温晶振（OCXO）与原子钟（以商业化芯片级原子钟SA.45s 为例）。其性能对比如表1所示：

表1 晶振与芯片级原子钟主要指标对比

晶振的长期稳定性表现为晶振的年老化率，随着接收机停用贮存时间的增加，当其频偏超过了该机的多普勒捕获范围（一般为±10kHz）时，会导致接收机无法捕获部分卫星，影响信号捕获[7]。由表1 可知，芯片级原子钟的年老化率相比OCXO提升了一个量级，相比TCXO提升了两个量级。因此采用芯片级原子钟的卫星接收机可以延长其停机待用（或贮存即用）时间十倍以上，不会因为频偏超出多普勒捕获范围而导致无法接收卫星信号。

卫星接收机接收信号时会引入噪声，晶振也会受到外部的干扰，使得其输出频率信号发生波动和偏差，在偏差或误差较大时，可能会超出信号载波跟踪环的1σ经验门限，引起环路失锁。分析表明，性能良好的GNSS接收机最好选用短稳优于1×10-9的晶振[8]。由表1可知，芯片级原子钟的短期稳定度优于TCXO和OCXO，能更好的满足接收载波跟踪环的设计要求。

叶大纲等人研究发现，将固定站中的石英钟频率源替换为铷原子钟后，其接收定位精度会有较大提升。在固定站中使用的石英钟通常为高稳定石英钟，3秒频稳为1.10×10-10，120秒频稳为4.78×10-11，替换的铷原子钟3秒频稳为4.21×10-12，120秒频稳为1.24×10-12。替换之后，铷原子钟在频率稳定度方面（取30秒）优于石英钟2个量级。在短距离静态相对定位中，不论N方向或E方向，表现差不多。但在高程方向的定位上，使用铷原子钟后的定位精度由8.2mm提升为3.8mm，提升了54%。在长距离静态相对定位中，E方向上定位精度由6.1mm 提升为4.6mm，高程方向定位上，由12.7mm提升为11.1mm[9]。在便携式GNSS接收机中，其使用的较好的晶振短稳为5×10-10，芯片级原子钟短稳为3×10-10，百秒稳为3×10-11。因此，同理可以推断，若将GNSS接收机的晶振替换为芯片级原子钟，其定位精度同样会有很大的提升。此外，如果GNSS接收机的时钟足够稳定，那么就可以预测本机时钟即将会发生的偏差，使定位导航解算过程中的未知数减少到三个，实现快速捕获跟踪定位求解。如果仍然能够获得四个卫星观测值的话，多余的一个测量值可以用来提高精度、可用度和可靠性[10]。

在INS系统中，INS的测量参数为加速度计测量的加速度和陀螺仪测量的角速度等，对测量的参量进行时间（由时钟提供）积分得到速度，位移等信息，若由芯片级原子钟提供时钟信号，那么其时钟稳定度将会提升一个量级左右，在加速度计和陀螺仪相同的误差情况下，对时间积分的结果，其精度也会提升一个量级。

在Micro-PNT中，芯片级原子钟同时对接收机、加速度计和陀螺仪等提供高精度的时钟信号，这将显著的提升Micro-PNT系统的性能[11]。

3.3 芯片级原子钟在Micro-PNT中的应用构想

美国最早提出Micro-PNT的设想，根据DARPA的一份文件显示，Micro-PNT的关键技术指标如图3所示。

图3 Micro-PNT关键技术指标[12]

从图3可知，Micro-PNT的尺寸不超过8 mm3，重量2g左右，功耗1W左右[12]。

为了实现Micro-PNT的技术指标，DARPA支持了芯片级原子钟的相关研究并取得显著成果，目前商业化的芯片级原子钟SA.45s即为其成果之一。DARPA还支持了导航级集成微陀螺仪的研究，其中核磁共振陀螺获得了巨大的进步。为了实现Micro-PNT系统的集成化与微型化，就必须采用系统集成与互联工艺。美国一些研究机构基于此提出了Micro-PNT的实现构想，将芯片级原子钟与惯性导航系统集成到一起，做成单片授时和惯性测量单元（Single-chip Timing and Iner tial Measurement Unit，TIMU）[13]，分别如图4所示。

图4 美国各研究机构提出的TIMU方案[13]

图4为多层和三维结构的TIMU构想，其中UC Irvine 的Andrei Shkel教授提出的三维TIMU结构讨论较多。

图5 三维TIMU具体结构[13]

图5为该TIMU具体元件分布与尺寸，其中，只采用一个芯片级原子钟作为主时钟，用来为时间、同步和信号处理提供时间信号。最后，再将微型TIMU与微型化的GNSS接收机通过微加工工艺集成起来形成Micro-PNT。

4 结束语

Micro-PNT结合了GNSS和INS两大导航系统，并且基于芯片级CPT原子钟提供的高稳定时钟信号，极大地降低了INS的累积误差，延长了INS单独工作的时长，在具备可靠GNSS信号时又可以对时钟和INS所计算的数据进行修正。因此Micro-PNT 的鲁棒性很强，同时，Micro-PNT具有小体积，低功耗，高精度的优势，可以广泛应用于国民经济，军事领域和国家安全方面，特别是GNSS信号不佳的山洞、深渊、森林等极端环境之处。但另一方面，Micro-PNT技术也面临着巨大的挑战。Micro-PNT 技术是一个复杂的体系，包含低功耗、微体积、高精度的芯片级原子钟，高精度的陀螺仪，高精度的加速度计等，同时依赖于物理学、新材料和微加工工艺的进步等，并且还需要各个系统协调工作。Micro-PNT中的所面临的挑战还需要一步步完成，这样Micro-PNT技术才会成熟，才能更好发挥作用。