【星载原子钟现状及发展概述1900字】

星载原子钟现状及发展概述目录TOC\o"1-3"\h\u7579星载原子钟现状及发展概述 1295561.1.1星载原子钟现状 1125351.1.2下一代导航卫星原子钟 1鉴于原子钟定时的高准确度和稳定度，它十分适合用于卫星导航系统。为卫星系统提供高准确度、高稳定性的频率参考信号源—原子钟称之为星载原子钟。星载原子钟作为导航卫星核心载荷，决定着导航定位、测速、测距、守时、授时的精度极限。目前世界上的四大全球卫星导航系统（GPS、GNSS、GALILEO、BDS）大都应用铷钟、铯钟、氢钟高精度原子钟作为基准频率源。伴随全球卫星导航系统的不断完善与升级，以及深空探测领域的快速发展，对高性能星载原子钟的指标需求不断提高。然而传统星载原子钟（铷、氢、铯）经过数十年的发展逐渐达到各自的技术及性能瓶颈，研制新型星载原子钟成为应对各类更高精度应用需求的必然趋势。汞离子微波钟、积分球钟、POP铷原子钟成为新一代星载钟研究热点。1.1.1星载原子钟现状美国GPS[1]系统，采用铷钟作为二级频率源，其天稳定度已达[2]量级，而且结构简单、功耗小、体积小、重量轻。GPS的铯钟具有低偏移率的特性，搭配铷钟使用，准确度在小系数，天漂移率在量级[3-4]。GPSⅡF每颗星配置２台铷钟和１台铯钟。GPSⅡF星载铷钟的天稳定度达4，铯钟天稳定度达5。美国GPSⅢ导航卫星于2018年12月开始发射，搭载3台铷钟，和GPSⅡF星载铷钟相比，具有较高的短期稳定度[5]。俄罗斯的GLONASS系统[6]的星载原子钟有BERYL铷钟、GEM铯钟和MALACHITE铯钟，其中于2013年发射的GNSSR17导航卫星搭载的铯钟16小时稳定度为[7]。欧洲Galileo卫星导航系统使用被动型氢钟和铷钟作为星载原子钟[7]，其星载氢钟年漂移率优于，频率准确度优于[8]。我国北斗卫星导航系统采用铷原子钟和被动型氢原子钟[7]，其中星载氢钟天稳约为[9]。1.1.2下一代导航卫星原子钟传统导航卫星原子钟（铷钟、铯钟、氢钟）中的原子或离子存在碰撞频移效应，致使工作物质的跃迁谱线展宽和频移，制约星载钟性能提升。随着电磁囚禁技术、激光冷却技术和陷俘原子等技术发展，汞离子微波钟、积分球冷原子钟、POP铷原子钟均采用不同方法进一步抑制量子跃迁谱线展宽与频移，成为新一代星载钟研究热点。（1）积分球冷原子钟积分球冷却原理如图1-1所示：向具有高反射效率的积分球中馈入能够实现原子共振跃迁效应的激光，利用球的漫反射的红移激光，把原子囚禁和冷却在球（微波腔）的中心，然后对原子进行微波激励。高速运动的原子由于其具有多普勒效应，使原子吸收的能量小于自发辐射的能量，从而使原子自身总能量减少，速度减慢，从而获得较窄的辐射跃迁谱线。图1-1积分球钟冷却原理和传统星载钟相比，积分球钟的优势在于：（1）积分球冷却具有冷却功耗低、冷却效率高的特点；（2）采用积分球冷却可以避免积分球形状限制因素，减小钟体积、降低钟质量、优化钟结构，另外，因此积分球钟是导航应用原子钟备选中之一。HORACE是法国巴黎天文台研制的小型铯积分球空间冷原子钟[10]，结构如图1-2所示。图1-2HORACE结构（2）POP铷原子钟传统铷钟稳定度受光频移、微波腔牵引频移和光电探测噪声影响。其中，光抽运铷钟的光频移为10-10量级，被认为是目前限制光抽运铷原子钟稳定度的最主要因素之一[11-14]。主要原因为态选择光抽运、微波共振和钟跃迁检测三个相互作用功能同时存在。POP铷原子钟和传统铷原子钟相比，区别在于将态选择光抽运、微波共振和钟跃迁检测三个相互作用在时间上分时控制，使原子和微波场相互作用时，没有抽运光场存在，原子处于一个纯二能级系统，具有理论完全消除光频移、基本消除腔牵引频移、减小原子共振线宽等优势[15-16]。即POP铷原子钟不仅保持了传统铷原子钟优越的星载特性，而且还突显高稳定度的优点。意大利国家计量科学研究院在欧洲空间局ESA资助下开展了POP铷原子钟研制工作，其装置如图1-3所示[17]。图1-3POP铷钟结构示意图（3）星载汞离子钟和传统星载钟相比，汞离子微波钟的优势在于：首先199Hg+基态超精细能级分裂较大，其值为40.507347996GHz，频率高，Q值大，对温度、磁场等环境适应性强。例如：磁场对频率稳定度的影响约[18]。其次199Hg+是现有频标所利用的离子中元素质量最大的离子。依据Doppler频移和质量成反比，其运动效应所带来的Doppler增宽在同等环境下比其他离子小很多。最后利用同位素谱灯做抽运光源，省去了负载的激光稳频与控制系统，易于小型化和工程化。2019年，NASA发射卫星搭载汞离子微波钟[1]，原理样机如图1-4所示。这台199Hg＋微波钟在频率漂移率和频率稳定度上均优于传统星载钟[19]。图1-4DSAC项目汞离子钟示意图由于星载原子钟应用场景环境不同，其需具有：（1）体积小、功耗低；（2）长期稳定好；（3）抗环境干扰能力强等特点。表1-1给出了汞离子微波钟、POP铷原子钟、积分球钟之间性能比较[10，17~19]。和POP铷原子钟、积分球钟相比，星载汞离子微波钟具有长期稳定性高、抗环境干扰能力强等优势，是下一代导航卫星星载原子钟典型代表之一。表1-1下一代典型星载钟研究现状比较体积