导航卫星与原子钟

文/李会超

好莱坞大片《加勒比海盗5》重现了当年大航海时代扬帆远航的豪迈场景。对于航海家们来说，和挂帆操舵同样重要的是确定自己的位置。在公海大洋之中，放眼望去都是浩瀚无垠的大海，航海家们可以依靠的只有天上的星斗。在那时的航海定位中，只有当定位者能够比较精确的确定目前的时间时，才能利用天文学家们测量好的星图和计算表来确定自己的位置。到20世纪初，专门为航海准备的精密计时器已经可以将一天内的误差降低到几秒的量级。

今天，已经很少有轮船利用星空进行日常定位导航了。全球导航卫星系统（GNSS）的出现使得人们用终端机接收卫星信号后，就能快速、精准地确定自己的位置。国际上起步最早、应用最广泛同时也是最成熟的全球导航卫星系统是美国的GPS卫星系统。同时，俄罗斯的格洛纳斯导航系统、欧洲的伽利略导航系统也陆续建成。中国北斗卫星导航系统目前也正在紧锣密鼓地进行建设。

精确导航需要精确的时间

▲早期的航海用时钟，一般要固定在特殊的框架上以抵御船身摇晃带来的影响

有趣的是，在大航海时代几百年后的卫星导航的时代，精确的导航仍然和精确的时间测量相联系。这四种导航系统虽然在具体的技术设置上各有特色，但基本原理都是相同的：导航卫星在空中连续发送带有时间和位置信息的无线电信号，供地面终端接收。由于卫星与接收者之间隔着一定距离，接收机接收信号的时间要比卫星发送时间晚一些，一般将这两个时间之间的间隔称为时延。将时延乘上光速，便得到了卫星与接收机之间的距离。当终端同时测到与四颗或更多卫星之间的距离分别是多少时，便可以获得当前位置的准确值。光速高达每秒30万公里，要精确定位，就要求对时间的测量精度非常高。据估计，当时间误差为10纳秒时，对应的空间距离误差就达到3米。日常活动中对定位的误差要求一般不能大于10米，这就要求卫星上能够持续产生准确的时间数据。

在20世纪初，人们能利用的最精确的时间信号产生器件是石英晶体振荡器。这种目前在电子电路上广泛应用的器件并不能满足精准定位的要求。在20世纪60到70年代，美国的导航技术预先研究表明，仅用恒温晶振，卫星的时间保持能力为每天数微秒（1微秒=1000纳秒），不能满足卫星定位的要求。

那么，如何才能获得更高精度的时间信号呢？

▲第一代GPS卫星使用的铷原子钟

原子钟怎样获取精确时间信号

根据原子物理学的基本原理，原子核处于不同的能量状态中。我们可以把这些能量状态想像成一栋楼房的不同楼层，原子所处的楼层越高，能量也就越高。当原子吸收或释放能量时，它必须从一个楼层的地板移动到另一个楼层的地板，而不能悬浮在地板和天花板之间。如果用物理学的术语来描述的话，不同的楼层被称为“能级”，原子在不同楼层间移动的过程称为“跃迁”。原子下楼时，也就是从高能级跃迁到低能级时，会释放电磁波。对于某一种原子来说，它在跃迁的过程中所发出的频率是固定的，物理学上将其称为“共振频率”。原子钟就是利用一些元素原子的共振频率，来获得精确的时间信号的。

上世纪30年代，美国哥伦比亚大学的物理学家拉比找到了利用这个物理学原理来精确获得时间信号的实现方法。在磁场中，原子可以在两种具有细微能量差别之间进行跃迁，物理学上将这种跃迁称为“超精细跃迁”。当一束处于某一个特定“超精细状态”的原子通过一个震荡电磁场时，电磁场的震荡频率和原子超精细跃迁的频率越接近，发生跃迁的原子数就越多。当调整震荡频率，使得所有原子都能完成跃迁时，这时的震荡频率恰好是原子的超精细跃迁频率。原子钟通过这种方式就可以获得与原子的共振频率完全相同的频率，从而可以作为产生时间信号的基本节拍，也就是丈量时间的基本单位。目前，国际上对“1秒”的定义就是根据铯原子钟的共振频率来确定的，1秒相当于铯原子9,192,631,770个这样的节拍所持续的时间。早期的原子钟体积庞大，要占据一个房间的空间，实用性不强。上世纪50年代，麻省理工学院的扎卡赖亚斯制造出了第一台小型化、实用化的原子钟。

▲伽利略导航系统使用的氢原子钟和铷原子钟

原子钟的种类

目前，应用比较成熟的有铯原子钟、铷原子钟、氢原子等。不同原子钟的基本原理都相同，区别在于使用的原子元素种类和观测能量变化的手段。铯原子钟的长期稳定性较好，可以几天甚至十几天不对误差进行修正。铷原子钟在短时间内的精度要好于铯原子钟，但是时间稍长就要对误差进行修正。而氢原子钟则具备这两者共同的优点，但是设计相对复杂，应用难度比较高。早期GPS系统曾经考虑过使用氢原子钟，但后来因为样机模型未能通过地面测试而取消，转而采用了铯原子钟和铷原子钟结合的方式。欧洲的伽利略系统在立项之初的一个目标就是要超越GPS系统的精度。因此，伽利略系统的导航卫星上配备了铷原子钟和氢原子钟。

▲美国NIST-7铯原子钟，曾经在一段时间内用于产生美国的标准时间

▲美国海军实验室用于为GPS系统同步时间的主时钟

相比于一般的原子钟，安装在卫星上上天的原子钟还需要具备重量轻、功耗小、可靠性高、稳定性好等特点。尤其是高可靠性，对于一个导航系统的正常运行有着至关重要的意义。虽然卫星都有寿命限制，维持导航系统运行需要不断发射新卫星补充即将停止工作的卫星，但如果在轨的原子钟毫无征兆地突然罢工，就会带来不小的麻烦和损失。

过去，中国的原子钟需要从国外进口。进口钟不但价格昂贵，而且关键技术并不掌握在自己手中。依赖进口原子钟建设北斗系统将会给系统埋下巨大的潜在隐患。因此，在北斗系统立项之初，就明确了“实现国产原子钟是必由之路”这一基本原则。在航天科工二院203所及国内其他相关单位科研人员的努力下，目前北斗卫星使用的高精度铷原子钟已经实现国产化。随着一次次原子钟搭载发射的成功，标志着中国已经完全掌握了星载原子钟的研制技术，完全摆脱了国外导航技术的束缚，也标志着中国成为继美国、俄罗斯之后能完全自主建立导航定位系统的国家。

▲小型化原子钟样机

▲晶体振荡器

▲美国二十世纪七十年代通过NTS-2卫星测试的铯原子钟

当前，下一代冷原子钟也在蓬勃发展中。相比于前文提到的几种原子钟，冷原子钟可以利用激光让“躁动”的原子逐渐冷却下来。冷原子以非常缓慢的速度与微波作用，延长原子与微波作用的时间，从而可以获得更高的时间精度。对于冷原子钟来说，空间比地面更适合它工作，因为航天器在轨运行的微重力状态可以使原子的速度不再受到重力影响。天宫二号空间实验室上，就搭载了我国科学家开展空间冷原子钟试验的装置。未来，这种原子钟将把原子钟的精度再提高10倍。如此高精度的原子钟不但可以用于地面定位，还可以开展深空导航定位。如果我们在太阳系中不受引力影响的拉格朗日点各放置一台冷原子钟，人类就可以超越近地范围、在太阳系这个更大的范围内实现准确定位。同时，它还可以用于开展引力波、引力红移的观测，验证广义相对论，为人类更深入的认识物质世界提供帮助。