天宫二号搭载的冷原子钟相比其他类型的原子钟有什么不同？为什么能使北斗卫星的定位精度大幅提高？

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起名难 · 2018-10-2 00:51:23

这个我还真能答。。。。是时候来篇干货了：空间冷原子钟及其科学应用

空间冷原子钟及其科学应用
吕德胜刘亮王育竹
（中国科学院上海光学精密机械研究所）
1、概述
原子钟（原子时间频率标准）是人类科学技术活动的基本条件。时间频率测量准确度和精确度的提高，将从根本上改变一系列重大自然科学和应用技术的面貌。在基础科学研究上，如广义相对论的验证、光速各向异性的测量、引力梯度测量、原子物理常数随时间变化的测量等，都需要精密的计时标准。在应用技术发展中，原子钟最为重要的应用之一是用于全球定位导航系统（GPS）。导航定位系统系统在国防、工业、农业、科研、运输和环境等诸多科学技术中有着广泛的重要应用。另外，在航空航天领域特别是深空探测方面，都需要精密计时技术的支持，人类的活动范围越广泛，对计时标准的要求就越高。

目前投入应用的精度最高的原子钟是喷泉钟，各国喷泉钟实现国际秒定义准确度在 (0.6~3)×10-15之间[1-3]。喷泉钟有如此高的精度主要原因是激光冷却技术的应用，和以前的铯束原子钟相比，冷原子喷泉工作模式让原子和微波相互作用时间延长了两个数量级。然而在地面喷泉钟运行过程中，由于重力作用，原子和微波腔两次作用时间间隔一般在 1s 左右，鉴频谱线宽度限制在 1Hz 左右，准确度和稳定度很难进一步提高。在空间微重力的条件下，激光冷却的超冷原子和微波腔相互作用时间可以提高一个数量级，从而原子钟的精度相应地提高。目前空间冷原子钟设计精度能达 10-17 量级，欧州空间局（ESA）和美国航空航天局（NASA）相继开展空间冷原子钟研究，目前比较确定的空间冷原子钟项目为欧洲空间局的 ACES (Atomic Clock Ensemble in Space) 项目，计划在 2013 年将系统（包括空间冷原子钟、氢钟和空地时频传输系统）发射到国际空间站。

空间实验室和空间站建设是我国载人航天计划的重要部分，从载荷体积重量和空间站运行轨道来看，高精度空间冷原子钟适合作为空间站的一个有效载荷。作为精确定位技术的核心技术和关键内容，高精度原子钟的研究显得更加重要。中科院上海光机所早在十多年前就提出空间冷原子钟立项的建议，并提出移动微波腔模式的空间冷原子钟方案。目前上海光机所在铷原子喷泉钟多年研究的基础上，在空间冷原子钟研究方面也取得了突破性进展。本文首先介绍原子钟和空间冷原子钟基本原理，然后阐述空间冷原子钟在高技术和基础物理方面的应用，最后展望空间冷原子钟在时频领域的远景。

2、原子钟以及空间冷原子钟基本原理
原子钟基本原理如图 1-a，晶体振荡器一部分信号经过放大后作为原子钟时间频率信号输出进行应用；另一部分信号经过一定的频率变换（变换后频率通常为微波段）和原子钟跃迁能级近共振并和原子相互作用，对振荡器进行小范围调制可以从原子和微波相互作用后原子能级间的跃迁几率对微波频率进行鉴定，利用负反馈控制晶体振荡器使振荡器输出频率锁定在原子钟跃迁能级频率差上。此时如果忽略环路中引入的其他误差，振荡器输出频率稳定度就和原子能级间频率差稳定度一致。

根据控制理论，振荡器对原子频率稳定度的跟随能力取决于鉴频谱线宽度和谱线信噪比，在信噪比一定情况下，获得的鉴频谱线越窄，原子钟性能就越好。图 1-b 和图 1-c 说明了原子与单个微波腔和分离微波腔作用情况下取得的鉴频谱线宽度。可以看出，原子和微波相互作用时间越长和谱线谱线宽度是反比关系。目前一般商品原子钟都是利用热原子样品，其热运动速度一般在每秒几百米，利用激光冷却后的原子样品热运动速度一般在每秒几个厘米。这样的速度差别对于相同尺寸谐振腔来说相互作用时间差别 10000 倍，但是由于地球引力作用在1s 钟左右时间冷原子样品将会被加速到每秒几米，所以目前地面喷泉原子钟比普通商品原子钟性能提高两三个数量级左右，在空间微重力环境下，冷原子钟性能有望再提高一个数量级。

图 2 是欧空局计划 2013 年发射到空间站的PHARAO 冷原子钟结构示意图[4]，它在结构组成上从左到右依次是铯原子源、冷原子俘获区、选态腔、环形腔、探测区、真空泵。这样的机构和地面喷泉区别在于谐振腔和探测区的位置，原子钟运行程序如下：冷原子样品制备后从左到右自由飞行，原子团经过选态腔时基态 F＝2，mF＝0 的原子和微波相互作用跃迁到基态 F＝1，mF＝0，然后原子团穿过一束 F＝2→F′＝3 的行波激光，利用辐射压力把基态 F＝2 的原子打跑，原子团中只留下基态 F＝1，mF＝0 的原子；原子团继续自由飞行经过环形腔两个微波作用区和微波发生 Ramsey 相互作用，在探测区检测原子跃迁几率。PHARAO 空间冷原子钟目前已经完成所有地面测试工作，预计在轨运行准确度为 10-16，秒级稳定度为10-13，频率比对精度为每天 6ps。

3 空间钟微波腔设计方案
第三节太专业，估计没人看。。。我就不弄上来了
4 空间冷原子钟在高技术方面应用（这一节很好的解答了题主的问题）
4.1 空间冷原子动力特性研究
地面喷泉原子钟运行试验中，受重力影响，冷原子团上抛速度被限制在很小的范围内，微重力环境下没有这样的限制，原子团抛射速度从每秒几个厘米到每秒几十米都可以实施，这样可以在很多运行模式下研究原子钟性能。另外，在空间微重力环境下，原子团脱离囚禁或俘获势阱后，有更长的观测寿命，人们可以更好地研究冷原子团本身特性例如原子空间密度分布、速度分布以及动态特性等。
4.2 星载钟性能研究
美国的 GPS 系统基于地面观测对星载原子钟性能进行过大量研究，但是基于空间冷原子钟对星载钟性能研究具有更大优势。其中主要原因是空间钟运行轨道距地面高度大约 400km，在对流层和电离层之上，对星载钟信号观测不受信号传输路径折射率变化影响，主要影响是航天器之间相对速度引起的多普勒频移，这个影响对原子钟稳定度比对目前可以被纠正到 10-16 以下的水平。在空间钟航天器上安装 GPS 接收机，就可以进行空间冷原子钟对星载钟的观测试验。这样的观测可以是对单个星载钟也可以是对多个的星载钟，对单个星载钟来说，利用空间钟作为高稳定参考源，比对星载钟的稳定度，比对的结果和地面对星载钟比对结果相结合，从不同角度对星载钟系统性能和局限性进行研究。
4.3 地面钟之间高精度比对
目前世界上各国运行情况比较好的有十几台喷泉原子钟，其相互比对的方法主要依靠 GPS 卫星，其中 GPS 共视法是较常用的方法，传输误差在几纳秒量级，近几年发展的利用 GPS P3 码方法比共视法稍好[8]，传输误差短期 0.2ns~0.3ns，长期 1ns 左右。这样的误差虽然可以对不同地区原子钟进行同步，但准确度和同步精度有限，而且相互之间稳定度无法比对。利用如图 4 的空间冷原子钟和高精度双向微波链，可以实现传输误差短期 1ps，长期几十皮秒，相对频率稳定度传输可达 10-16 水平，实现原子钟远距离高精度同步和比对。
5 空间冷原子钟在基础物理方面应用
第五节还是太专业，估计没人看。。。我就不弄上来了

OpticsZhang · 2018-10-2 00:51:24

第一次被邀哈哈，虽然都是做精密测量，但我的工作是测量弱磁的，跟频标有些差异，可以说一下我的知识范围内关于频标的事儿。
频率测量一个很重要的因素，振子的品质因数Q。先要有经典阻尼振子概念，
品质因数
，从能量上看
。
举例说明一下含义：一个简谐振动的振子，没有阻尼耗散能量，那么就一直以频率
振动下去，但是手表里的振子要驱动飞轮转动，对振子来说这必将是一个阻碍，我们可以尽可能的让这种阻尼做小，但不可能消失。那么对一只手表来说，对振子的阻碍越小、振子越稳定、越不容易耗散能量，那么这个表的计时越准确！

我们常用的手表里面用的是石英振子，振子品质因数
；蓝宝石振子
，微机械振子能到
，电磁脉冲星
，美国NIST的锶原子钟振子品质因数高达
！

如何找高品质因数的振子？再看影响品质因数的两个量
和
。波谱图应该是中学物理书里就有的，可见光的频率
在百太赫兹量级
，比如钠黄光508THz，铷原子380THz。激光器的线宽都比较窄，普通实验室的垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）一般在100MHz，即
。对于光钟来说，光子的频率
已经非常高了，那么要做的事就是降低阻尼
。在量子力学里，经典阻尼
对应的是原子激发态寿命
的倒数，即
，激发态寿命越长，光场驱动的原子振子阻尼就越小！比如室温气室里的铷原子激发态寿命为27ns，而亚稳态氦寿命为8000s！这种寿命差距导致的振子品质因数差距巨大。冷原子状态下，激发态的相干寿命就会变长（相干态是指量子态下的原子，它同时处于基态和激发态的叠加态），远大于气室下的27ns。

逍遥法外的余 · 2018-10-2 00:51:25

其他答主都说了空间冷原子钟的优势，我就来说一下为什么好的原子钟能大幅度提高北斗卫星的导航定位精度。

卫星定位的原理是用户接收不少于四颗空间卫星的载波信号，利用空间交会的方式计算自己的位置，这就需要精确已知的卫星坐标。卫星的坐标是通过全球分布的控制站监测并上传到卫星中，卫星再写成导航星历通过载波信号传输给用户，用户可以根据时间来推算卫星发射信号时的位置。

但是要想知道我接收到的信号是卫星什么时候发出来的，就需要用户的接收机的时间和卫星的时间精确一致。很明显，用户做不到(很多用户用的都是石英钟，或落后的原子钟，时间会有很大偏差)，卫星的时间比较准，但是和理论上的时间系统还是会有微小差异(尽管用了冷原子钟)。于是，如何改正用户接收机的时间偏差(学名是接收机钟差)和卫星端的时间偏差(学名卫星钟差)成为导航定位的首要任务(通常情况，钟差引起的误差可达几万米甚至十几万米)。

很幸运，因为接收机的钟差同一时刻只有一个，即使接收了10颗卫星，还是仅有一个值，于是当有大于等于四颗卫星信号时，我们就可以把接收机钟差当成参数一起解算了(三维坐标参数和钟差参数加起来总共四个，故需要四颗卫星，每个卫星提供一个观测值)。

不幸的是，由于每颗卫星只有一个观测值，同时，每颗卫星都有自己独立的钟差，故卫星钟差不能当成未知数求解，而需要作为已知条件。目前全球定位系统(包括GPS, GLONASS, 北斗等)都是采用地面控制站监测估算，然后由卫星把自己的钟差播发给用户。

于是，越高级的原子钟，其钟差越好估计(一般用二次多项式)，也就是说钟越稳定，卫星播给你的钟差越准确，当然精度越好，而且越是稳定的钟，用户内插或外推它的钟差(很多时候是必要的)也越准确。

以前说北斗定位精度差，其实最主要是因为两个因素，一个是地面控制站少，难以形成均匀合理的全球监测网络。第二就是卫星搭载的原子钟不行，钟不稳，钟差就大，不好估计，经常漂的很远，在精密定位领域应用受限。

命理-命运之轮 · 2018-10-2 00:51:27

现在开始出现了，内嵌富勒烯的原子钟，体积更小(或可实现芯片级!)，精度也好！
应该追赶丨

Margaret · 2018-10-2 00:51:29

恕我直言，作为一个试验研究用的高精度原子钟，恐怕它还要很久才能真正让北斗系统定位精度有所提高。不说它是否能被用到，怎么加入到整个现有系统的时间校准中，就说空间距离所导致的数据传输中的误差都基本能抵消掉它提高的精度了。

有鸟焉名曰泽 · 2018-10-2 00:51:30

关于第二问——定位的本质就是定时间啊

匿名用户 · 2018-10-2 00:51:31

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默默的摸 · 2018-10-2 00:51:32

冷原子估计比原子的活力低，速度慢好测量吧。用在北斗上就跟打仗前互相对表一样，保证时间一致才能精确定位啊。

天宫二号搭载的冷原子钟相比其他类型的原子钟有什么不同？为什么能使北斗卫星的定位精度大幅提高？

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