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星载/弹载原子钟的发展概况和瞻望(中国航天科工203所 郭衍莹)

已有 2146 次阅读 2022-5-24 09:49 |个人分类:相对论属于近似|系统分类:论文交流|文章来源:转载

《星载/弹载原子钟的发展概况和瞻望》说明

本文原是我2021年6月参加我单位召开的“2021国防计量与测试学术交流会”的发言稿:《浅析相对论效应对基于时频测试的航天系统的影响》(见论文集P.136)。由于近年来在科技界有二方面学者围绕“GPS的星钟(注:不是指北斗)应否修正”相对论效应”误差”的问题展开热烈争论。一方学者认为:幸亏有了相对论,GPS系统才知道如来何修正星钟,因此他们认为:“没有相对论就没有GPS!”。他们还建议新的大学物理教本应增添这方面内容。另方则认为恰恰这个问题,给相对论帮了倒忙。“没有相对论就没有GPS”的就和当年”没有相对论就没有原子弹“一样不靠谱。我不懂相对论,但对GPS还是有所了解的(上世纪80年代我单位曾按部里要求筹建“航天部GPS应用中心”。85年我和乔石琼所长曾应童铠院士邀请聘任导航所挂名的技术顾问)。我是调和派。我认为,无论相对论效应是否存在,它和GPS用户钟的误差一样,在GPS接收机伪距差分处理中已被消除(所以GPS需四星伪距测试)。所以不可能通过GPS就能证实“相对论效应”存在与否。我的论点得到几位老师的支持。而且从2019年我提出这一观点起,至今尚未见有人发表文章表示反对。所以我就大胆写出本文,算是个小结。经单位保密审查(本文只谈国外GPS,不涉及北斗)和几位专家的审阅(有成电的唐小宏教授,23所刘兴术研究员,测控中心的苟永明编审等),现已在中国航天科技集团的《中国航天》2022年4期p.37-40上发表。

《中国航天》编辑部和这几位审稿专家在编审过程中提出建议:大都读者对原子钟不熟悉,希望增加这方面科普内容,并介绍我国情况和发展前景。我没搞过原子钟,只知道一些原子钟的应用。因此想趁此机会宣传一下203所(对外也称北京无线电计量测试研究所)这方面突出贡献。203所是我国唯一从高稳晶振开始,到铷钟,铯钟,氢钟,乃至PCT芯片钟,离子钟,都研发出和量产出世界一流水平的产品(航天科工集团官网和国内各大媒体都有报导)。2017年还获得国家科技进步特等奖。但可能由于对外宣传比较低调,知名度不高。我遇到的几位老同志和高校老师都说没听说过,有的老师还风趣地说,203所原子钟研究室应是二院院士摇篮之一。所以很有必要弥补一下这方面的科普知识。我这篇短文得到203所有关领导,机关领导和研究室同志的支持。还提供几张实物照片。可惜这些照片因种种原因最后没给刊登。

鉴于读者大都是老同志和学校老师,阅读复印件比较吃力。所以我将原稿的电子版寄上,并将单位提供的几张照片附上,请你指正。文章内容希望你能喜欢。抗疫期间希望能为你解闷,谢谢!

(郭衍莹)

国内外星载弹载原子钟的发展概况和展望

航天科工203所   郭衍莹

 

一、星载原子钟是卫星导航系统的心脏

当今世界有四大卫星导航系统,美国的GPS,俄罗斯的格鲁纳斯欧盟的伽利略以及我国的北斗这四大系统中,我国北斗的开通和运营的时间最晚。研发的难度也最大(譬如最佳的卫星位置已被别人占用),但据北斗总师杨长风向记者介绍:北斗的定位精度,在全球范围与GPS相当,在局部区域优于GPS。比如在北美、非洲、欧洲等地,北斗的定位精度在5米左右,在亚太地区可以精确到2.53”。北斗可以和运行将近30年的老牌GPS系统媲美,这就是个很了不起的成绩。

从原理上讲,所有卫星导航系统都是一种利用测量时间而为用户提供定位服务的航天系统系统的关键设施就是星上的一台时钟。打个比方,假定时间TA(指星钟的时间)从某卫星发一信号(或一束光),于时间TB时(指用户钟的时间)被地面某用户接收。那么该用户到卫星的距离就是时间差(TBTA×光速。因为卫星在天上的位置在任何时间都是已知的(可从卫星发播的星历查到),所以只要有三颗以上导航卫星,而且用户能同时获得这三颗星的(TB-TA)数据,用户就能算出自己的精确位置,为自己定位和导航;前提是星载钟(和地面用户钟)必须准确无误。可见定位的精度首先和主要取决于星钟的时间(频率)准确度和稳定度。由此读者不难理解,星钟为何被称为卫星导航系统的心脏。

那么星钟为啥一定要用原子钟呢?这是由于目前世界上最准确的测时工具就是原子钟。例如GPS系统要求由于星钟频率不稳定注:频率是时间的倒数,二者的稳定度是一致的)而引起的测距误差不3。按光速3×108/秒来计算,相当于时延10纳秒。但GPS的地面站每天至少要向卫星注入一次校频数据,所以只要求在一天内(86400秒)星钟的频漂不得大于10ns/86400s10-13。这就是对星钟频率稳定度的要求。10-13是个什么概念?就是说每隔1013秒星钟误差不得大于1秒。因为一年有365×86400秒,所以1013秒大约相当于30万年。也就是说30万年内星钟误差不得大于1秒。在目前只有原子钟可以达到这一要求,所以国内外导航星钟采用原子钟;在目前不外乎采用铯钟、铷钟、氢钟三种。

三种原子钟中以铷钟体积重量最小,造价最低短期稳定度也很好。所以早期星钟都用铷钟。缺点是长期稳定度较差。铯钟长期稳定度非常好,1967年13届国际计量大会上把秒定义为“铯钟辐射电磁波周期的9192631770倍”(铯钟频率为9192631770Hz)。所以后来的星钟大都采用铯钟。铯钟最大短板是寿命受铯束管寿命的限制(约5年左右)。氢钟具有极好的频率稳定度(老化率方面比铯钟稍差),寿命高于铯钟。但体积大,能耗大,造价高,长期来没能用于星。近年来技术上重大突破。所以近几年国内外发射的星钟都采用氢钟,或铯钟、氢钟双份原子钟。

原子钟是项尖端科学技术。把原子钟放到卫星上运转,难度更大。因为星载钟需经受震动,温度,辐射等严酷太空环境条件的长期考验。我国打破西方国家的垄断和封锁目前完全自主研制、生产的原子钟已达世界一流先进水平。据媒体报道航天科工二院203所是国内唯一能同时研制上述三种高精度原子钟的单位;先后曾为北斗工程提供四十余台各种类型的星载原子钟。为此曾获得2017年国家科技进步特等奖[1]1为该所生产的星载氢钟照片。

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1  203所生产的国产星载氢钟

 

二、为何大部分用户钟(如手机)不需要用原子钟,而有的用户(如大地测量等专业)必须用原子钟[3] 

上面说过,从卫星到用户的距离就是星钟和用户种的时间差再乘以光速。读者一定会问,所有用户钟(譬如手机)是否都应用原子钟以保证测距精度?不过如果要求手机用户人人带一台原子钟,卫星导航恐怕就很难推广了。问题的解决应归功于聪明的系统设计人员。他们设法使GPS一般用户(要求定位精度几米)无需用原子钟。原因是他们采用“四星测伪距法,使用户钟即使有误差,其中大部分误差在“伪距差分”过程中被抵消掉不过对于像大地测量等专业定位精度需要几厘米的用户系统,应用原子钟就不可避免了。

下面先分析一般用户情况(这些分析只用到中学代数;但非常有助于读者弄清概念)。上面说过,地面用户的位置(XYZ三坐标)只需用三颗卫星就可定位。但由于地面钟有误差Δtu三坐标外多了一个未知数Δtu,所以GPS采用“四星测伪距法”,(伪距是指测得的距离数据中有误差项非真实距离),可将此地面钟误差消掉,而不要求它与卫星钟“绝对”同步。

假定用户用四星测得的四个伪距R1R2R3R4见图1这四个伪距中既有真实的距离数据又包括地面钟误差Δtu,还包括其它误差如本文后面要谈的“相对论效应“误差)。假定Δt011号星钟其它误差。这样用户测出的从用户至1号卫星的伪距为:

R1=cτ1+ cΔtA+cΔt0=[(XX12+(YY12+(ZZ121/2 + cΔtA + cΔt0  -------- -1

234号卫星,同样可得到伪距R2、R3和R4

 

image.png 

2  “四星测伪距法”定位的原理

 

由于四颗星同时为某一用户服务(时间上稍有先后),四个Δtu数据基本上相等稍有差别)至于四个Δt0如果该项误差来自“相对论效应”,按相对论的说法只和卫星的速度、高度二个参数有关因此对四颗星的此项误差值都应相等。这样在解方程式组过程中(也即伪距两两差分过程中)可将cΔtucΔt0二项抵消掉了。由此可得R1R2R2R3R3R4三个方程式,正好能解出X、Y和Z三个未知数,达到精确定位目的。由此可得结论

四颗卫星伪距差分处理大大降低对用户钟稳定度的要求读者可能提问,这四颗星信号到达地面用户接收机时间有先后,在此时间段内用户种的误差Δtu可能有变化。但只要它的变化值控制在允许范围内就没有问题了。由于四颗星的信号到达用户时间的差别最大为20毫秒(相当6000公里距离)GPS系统要求这一因素而引起的测距误差也不得大于3即时延10纳秒。因此要求地面钟在20ms内频率稳定度优于10ns/20ms=5×10-7。这一指标用高质量石英钟(稳度补偿晶体振荡器就可满足要求。

但并非所有用户都不需用原子钟。有些特殊用户,譬如大地测量2020年我国重新测量珠穆朗玛峰的准确高度,比起过去的数据高了0.43米)往往要求定位精度达5mm(分辨度甚至达0.5mm)。此时再用上述的伪距法就不灵了。解决的办法是采用更先进的载波相位法定位,可以达到比伪距法高三个数量级的定位精度。此时星钟和地面钟都需采用原子钟,星钟对地面钟进行锁相,使二者的频率和长期稳定度保持一致。然后通过精密的相位测量来达到精密定位。5mm这一指标相当相位90或时延15ps。至于用户钟的要求,20ms允许误差不再是小于10ns而是15ps,即要求稳定度为15ps/20ms=7×10-10所以用户钟也不得不采用(低档)原子钟了。下面还将介绍,用GPS制导的导弹、炮弹、炸弹将是另一使用弹载原子钟的大户。

 

星钟修正相对论效应误差问题

学过高中物理相对论初步的读者都知道相对论认为当物体的飞行速度不断加速至接近光速3×105km/s)物体长度会不断变短直至零重量会不断加大直至无限大物体上的时间不断变慢直至“停顿”。这些奇迹就是爱因斯坦提出的相对论效应这个效应有多大?爱氏借用了洛伦兹变换即飞行体的时钟要比地面钟慢倍。现在的GPS卫星而言,它的飞行速度约为4km/s;虽然比光速小很多,但已不可忽略(约光速10万分之一)。按上面的公式计算,一天7微妙。除此之外还要考虑地球是个重力场,地球引力会使时钟变化(学名引力频移。而卫星和地面用户离地心距离不同,所受引力不同,会使二者的引力频移有差别,使卫星钟走快。经计算此项效应可使钟每天比地面钟快约45μs。将二者合起来,每天应快45-7=38μs

GPS系统不涉及我国的北斗是否对这种“相对论效应”进行修正前一时期曾在学术界引起热烈争论[4]。有的学者认为,修正式是基于光速不能超越的假设,缺乏实验依据。用这一概念性的式子来进行航天设计,太草率。还有学者提出一个难以解释的疑问[5]GPS弹道导弹制导时对星钟的修正量肯定与作一般用途时的修正量不同,是否每次导弹发射都需GPS系统重作一次“相对论修正”?详情可参阅有关资料,这不属本文讨论的范围了。不过在本文上一节已经论证清楚,GPS采用的伪距差分处理同样具有抵消“相对论效应”的作用。其原理与“用户种无需用原子钟“的原理是一样的。因此“相对论效应”即使存在,也已在伪距差分过程中抵消了。所以结论是:GPS由于采用四颗星伪距差分处理技术,无论“相对论效应”存在与否,无论GPS系统已进行修正与否,都不影响系统的正常运行。

不过随着卫星导航技术不断发展,对定位精度的要求越来越高,“相对论效应”的误差就不是伪距差分法能全部抵消的了。届时“要不要对星钟的相对论效应进行修正估计还会发生争论[5]

 

四、GPS系统在军事上的应用和弹载原子钟的发展

当今GPS系统被世界很多国家应用于军事目的尤其是美国自己。上世纪美海陆空三军装备信息化,以及伊拉克战争,GPS起到相当关键性作用。美三军都大力研发用GPS来制导导弹。例如美国战斧巡航导弹Block3,改用GPS制导后命中精度从9米改善至3米。GPS制导的主要缺点是抗干扰性能差。所以在战略导弹方面洲际导弹和巡航导弹一般都将它与惯导组成复合制导惯导的优势是抗干扰性能好,但缺点是随时间产生漂移。二者复合可以优势互补。至于战术武器方面,目前导弹、炸弹、炮弹等很多采用GPS制导和定位。既可以是GPS制导+惯导,也可以是GPS制导+图像制导。前者一个成功的例子是我部在今年珠海国际航展会上展出的神鹰-400火箭炮。它的多项性能指标为世界第一。它的外销型采用GPS制导,而国内型则为北斗制导。以色列展出的“反恐系统”,采用GPS定位+图像制导方式,可以做到精确的“斩首”行动,也是一个成功的典例。

导弹中GPS定位系统的用户钟过去大都用高精密度,且能耐苛刻军用条件的石英钟(晶振)。近年来有的已改用小型超薄铷原子钟和新出现的芯片级原子钟—CPT钟。因为无论从定位精度,从体积重量,从环境条件考虑,无论是导弹、炮弹还是炸弹,小型原子钟都远胜于石英钟(而且成本不断下降),是未来战术武器弹载钟的重要发展方向。

航天科工二院203所自主研发拥有自主知识产权的超薄铷原子钟,本体尺寸只有76mm×76mm×17mm,是世界上厚度最薄的高可靠铷原子钟,可在强振动条件下保持可靠锁定,技术指标达到国际顶尖水平,目前已经完成研制并已实现量产[2]。本文末附图是中国航天科工集团官网于2019823日发布的,关于203所研发超薄铷钟的信息和图片;并公告203所是“国内唯一一所同时具备铷钟、铯钟、氢钟三种原子钟研制能力的单位”。

至于新出现的CPT原子钟,它是利用原子的相干布局囚禁CPT)原理而实现的一种新型原子钟,由于不需要微波谐振腔,因此可以做到真正的微型化。据称美国NIST研制的CPT原子钟物理部分甚至比一粒米还要小(?)。CPT原子钟由于可以集成到一个芯片上,因此也被称为芯片尺度原子钟;国内也称之为芯片级原子钟。它是迄今为止能够用电池供电长时间工作的唯一的一种原子钟。美国商品化的最小CPT芯片原子钟为手表尺寸,约16毫米,用纽扣电池供电;稳定度2×10-10

一般商品化CPT钟,比起小型化铷钟。他们的稳定度指标接近,但前者体积和功耗都要小1至2倍,甚至1到2个数量级。在一些不能承受铷钟体积、功耗的应用场合,CPT钟将是理想的选择。

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图3  国外芯片级原子钟产品


目前国内宣称研发CPT钟的单位有203所,中科院武汉物理数学研究所,北京波时科技公司等几家。武汉所声称,他们研制出体积200cm3,功耗4W,稳定度优于6×10-11t--1/2的小型CPT钟。波时公司研发的B-AC01型芯片级原子钟样机,体积为40×35×11mm3,已于今年8月经中国计量院正式计量校准,结果为:秒级稳定度(阿伦方差)为7.1×10-11;日漂移率为5.4×10-11。有人预言,CPT钟的发展和推广,会对GPS推广应用(尤其是军用)带来革命性的变化。


五、警惕美国阴谋将深空GPS用于太空战!

五、警惕美国阴谋将深空GPS用于太空战!

目前GPS用户限于在GPS卫星飞行高度以下的各类用户。对于深空或星际飞行以及到其他星球上着陆和返航是否也可利用GPS来导航这不仅理论上可行,实际上美国早已动手试验。美国的宇航局于2019年6月25日利用SpaceX重型火箭向太空发射了一深空原子钟。据称是一台“汞离子钟”,稳定度是2×10-15,比GPS卫星上的原子钟精确50倍,即每1500万年误差只有一秒钟。离子钟是最有发展前景的新一代原子钟。大家知道美国原先有一台NIST-F2标准铯钟,稳定度为1×10-16曾长期来是全世界最高水平的原子钟。但20102月美国国家标准局研制的“铝离子光钟”已达到37亿年误差不超过1秒的水平(即优于1×10-17),成为当今世界最准的原子钟。

深空导航为何对原子钟提出如此苛刻的要求这是因为深空原子钟离地面太遥远,它不能像目前的GPS系统可以通过地面控制站每天对星钟进行对时校频。所以要求它长能时间自主地保持时间、频率高度稳定。

美媒渲染一旦基于深空原子钟的深空GPS系统建成,将彻底改变太空行的面貌。届时遨游太阳系或许像坐公共汽车上班一样容易;而GPS就是太空警察和宪兵2019年美国太空军成立时特朗普建立深空GPS就是美国要占领未来针对中俄的太空战的最高制高点!所以我们一定要加快太空反击能力建设,坚决压制美方挑起太空的任何企图

 

参考资料

[1] 解放军新闻传播中心我国新一代氢原子钟、铷原子钟达到了国际先进水平.2018年1月18日。经济日报航天科工203所星载氢钟团队:追赶时间的人2018年1月31日。中国计量网科工二院203所北斗导航星载原子钟研制发展记2018年2月26日。光明日报:揭秘北斗卫星的“中国心”2018年2月13日

[2] CCTV-7 2019年8月17日节目:超薄原子钟“卡片铷钟”实现量产。




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