迷你原子钟提供更高的精度和可替换PNT的独立性

昵称49247586 2019-09-23

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迷你原子钟提供更高的精度和可替换PNT的独立性

曹冲

所有精准定位和导航的基础是精准定时。高精度时间是排在第一位的。 GPS时间是根据一组原子钟定义的，这些原子钟在卫星轨道上和监测站的地面上运行；这一概念同样适用于其他GNSS系统。这些原子钟体积大，非常昂贵，它们最终提供的服务是形成GNSS信号，但是会容易受到若干干扰和偏差的影响。如果可以将廉价的微型原子钟放置在用户设备上，可以避免许多这些漏洞并大大提高精度。

美国国防部高级研究计划局（DARPA）于2003年推出了第一个片式原子钟（CSAC），并且已经稳步提供资金支助研发，以使时钟更小、更精确、更便宜。该计划最近宣布了三个研发项目，有望实现这些目标。

美国国家标准与技术研究院（NIST），加州理工学院与斯坦福大学，和查尔斯·斯塔克·德雷珀实验室的研究人员合作，展示了一个由三个小芯片组成的由电子学和光学实验支持的光学原子钟。霍尼韦尔与加州大学圣巴巴拉分校合作，正在开发基于由三维激光束排列产生的磁光阱（MOT）的精密原子传感器。美国宇航局的喷气推进实验室（JPL）与SRI国际，加利福尼亚大学戴维斯分校和伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校的研究人员展示了一种实验原子钟，采用基于离子的原子冷却方法，依靠电离汞和紫外线灯而不是激光。“将大型铯束管中的原子钟缩小到芯片级器件而不会降低性能需要重新考虑许多关键部件，包括真空泵和光隔离器，以及组件集成的新方法，”John Burke博士说道，他是 DARPA微系统技术办公室（MTO）的原子钟增强稳定时钟（ACES）计划经理。这些项目可能会导致晶圆级原子钟生产的新方法。“在ACES上取得的早期进展表明，在没有大量工程人力或与当前方法相关的巨额成本的情况下，在开发过程中存在可行的选择，”Burke补充道。

由DARPA和NIST开发的第一代CSAC，现已通过Microsemi商业化，为国防部和民用应用提供了CSAC概念验证技术。然而，由于其设计基本的物理原理，性能受到温度敏感性、长期频率老化以及开启再现性或回扫的限制。由ACES资助的新开发项目可能最终提供的片式原子钟，其性能会提升1000倍。便携式平台上的这种精确计时可以极大地提高5G网络的稳健性和普惠性，以及导航、金融交易、分布式云和防御中的许多应用。最终，可以想象它们可能导致PNT替代方案，可以完全不依赖于来自太空的GNSS信号。

NIST-加州理工学院-斯坦福大学-德雷珀实验室团队，最近在Optica科学期刊上发表了一篇论文，描述了他们的工作。实验光学原子钟由三个芯片和电子学和光学支持部分组成。虽然标准原子钟使用铯原子并在微波频率下工作，但这一点在较高频率下运行并使用激光跟踪限制在硅片顶部3毫米蒸气室中的铷原子的振荡。两个频率梳将铷原子的高频光学刻度转换为较低的微波频率，用于PNT应用。与目前的CSAC相比，这可以使精度提高50倍。