原子钟为什么能使北斗卫星的定位精度大幅提高？

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最近，“天宫二号与神州十一号载人飞行任务进入实施阶段”的新闻充斥着各大主流媒体。而“天宫二号”空间实验室装载了空间冷原子钟、空地量子密钥分配试验等14项空间应用载荷。其中，首次进入太空的空间冷原子钟，可以将航天器自主守时精度提高两个数量级，大幅提高导航定位精度。

国务院于6月16日发布的《中国北斗卫星导航系统白皮书》“二、持续建设和发展北斗系统（四）持续提升北斗系统性能”中提到：为满足日益增长的用户需求，北斗系统将加强卫星、原子钟、信号体制等方面的技术研发，探索发展新一代导航定位授时技术，持续提升服务性能。——提供全球服务。发射新一代导航卫星，研制更高性能的星载原子钟，进一步提高卫星性能与寿命，构建稳定可靠的星间链路；增发更多的导航信号，加强与其他卫星导航系统的兼容与互操作，为全球用户提供更好的服务。

为什么会在这里强调“原子钟”？一是，“原子钟”在卫星中非常重要，二是，目前“原子钟”技术不够完善。

卫星导航的基本原理就是精确测量微波信号从卫星走到你跟前所用的时间，再乘以光速就可以得到天上的卫星和你之间的准确距离。以前的钟不够准，所以GPS的民用精度也就十来米。理论上如果钟的精度提高，导航精度也会改善。

导航都依赖原子钟，因为只有原子钟能够在足够小的体积内实现优于1纳秒的精度。但现在的导航卫星，无论是GPS还是北斗，都使用普通原子钟，也可以称为热原子钟（相对冷原子钟而言）。其基本原理是利用特殊原子（例如氢原子、铷原子、铯原子）的某个特定跃迁频率，这个频率有极高的稳定性，精度可以到皮秒甚至飞秒，但原子的这个跃迁频率不能直接用，需要通过电磁波与原子相互作用，间接地用电磁波把这个频率导出来，这是原子钟的基本原理。

在百度里搜到以下这段，感觉解释得很清楚。

【根据量子物理学的基本原理,原子是按照不同电子排列顺序的能量差,也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差,来吸收或释放电磁能量的.这里电磁能量是不连续的.当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时,它便会释放电磁波.这种电磁波特征频率是不连续的,这也就是人们所说的共振频率.同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为每秒9192631770周.因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。】

【30年代,拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性.也就是在这里,他们在依靠这种原子计时器来制造时钟方面迈出了有价值的第一步.在其研究过程中,拉比发明了一种被称为磁共振的技术.依靠这项技术,他便能够测量出原子的自然共振频率.为此他还获得了1944年诺贝尔奖.同年,他还首先提出“要讨论讨论这样一个想法”（他的学生这样说道）,也就是这些共振频率的准确性如此之高,完全可以用来制作高精度的时钟.他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率.这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。】

【在这种时钟里,一束处于某一特定“超精细状态”的原子束穿过一个振荡电磁场.当原子的超精细跃迁频率越接近磁场的振荡频率,原子从磁场中吸收的能量就越多,从而产生从原始超精细状态到令一状态的跃迁.通过一个反馈回路,人们能够调整振荡场的频率直到所有的原子完成了跃迁.原子钟就是利用振荡场的频率即保持与原子的共振频率完全相同的频率作为产生时间脉冲的节拍器。】

【人们日常生活需要知道准确的时间,生产、科研上更是如此.人们平时所用的钟表,精度高的大约每年会有1分钟的误差,这对日常生活是没有影响的,但在要求很高的生产、科研中就需要更准确的计时工具.目前世界上最准确的计时工具就是原子钟,它是20世纪50年代出现的.原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的.由于这种电磁波非常稳定,再加上利用一系列精密的仪器进行控制,原子钟的计时就可以非常准确了.现在用在原子钟里的元素有氢、铯(sè)、铷(rú)等.原子钟的精度可以达到每100万年才误差1秒.这为天文、航海、宇宙航行提供了强有力的保障。】

美中不足的是，原子都有热运动，常温下大概几百米每秒。这使得原子和电磁波的作用时间太短，导致得到的原子钟精度不高，也就到纳秒量级，这就是目前GPS和北斗上面正在用的原子钟。幸运的是，上世纪九十年代，美籍华人朱棣文发明了激光冷却原子的技术，可以用几束激光把原子团冷却到绝对零度附近，也就是让原子几乎一动不动。当把这种冷却后的原子放进微波场的时候，原子与微波的作用时间大大加长，使得原子钟的精度显著提高，达到了皮秒量级。

然而科学家们总是贪得无厌的，皮秒量级的精度还嫌不够。因为原子团在进入微波场后，由于重力作用，很快速度变大，使得原子与微波的作用时间还是满足不了科学家的胃口。

兜了这么一大圈，可算说到正题了。为了继续延长原子和微波的作用时间，科学家们想到了太空，在那里没有重力，原子理论上可以在一个位置悬浮很久，当然由于太空飞行器的各种限制，事实上不可能无限制悬浮，但无论如何原子与微波的作用时间可以比地面增大很多，目前保守估计可以把时钟精度再提高一个数量级，如果其它方面都做到位的话，精度应该还可以更高。

另外，天宫二号上面的冷原子钟绝不仅仅是精度更高，它在很多方面都与地面原子钟显著不同。仅列举两个方面。由于天宫二号上面寸土寸金，空间、重量、能源的限制都非常严苛，因此这个钟经过了反复瘦身，除了核心的物理部分外，其它部分都精简精简再精简，因此这个钟一方面比地面的冷原子钟小巧很多，另一方面又比其它卫星上面的普通原子钟精密好几个数量级。另外天宫二号跟着火箭发射的过程，会有非常剧烈的振动，这是地面冷原子钟从来不会考虑得，地面原子钟都在地基稳定的实验室里，恒温恒湿，环境好得不得了，可以说地面原子钟就像保育室里的婴儿，处处被小心呵护，但天宫二号的冷原子钟则像草原上的小豹子，必须直面大自然的各种考验。

很快天宫二号就要发射了，冷原子钟进入太空是一件历史性事件，相信会取得成功，为这个优秀的团队加油，也为整个载人航天团队加油。