最近,“天宮二號與神州十(shí)一號載(zǎi)人飛行任務進入實施階(jiē)段”的新聞充斥著各(gè)大主(zhǔ)流媒體。而“天宮二號”空間實驗室裝載了空間冷原子鍾、空地量子密鑰分配試驗等14項空(kōng)間應用載荷(hé)。其(qí)中,首次進入太空的空間冷原子鍾(zhōng),可以將(jiāng)航天器自主守時精度提高兩個數量級(jí),大幅(fú)提高導航定位精度。
國(guó)務院於6月16日發布的《中國北鬥衛星導航係統白皮書》“二、持續建(jiàn)設和發展北鬥係統(四)持續提升北鬥係統性能”中(zhōng)提到:為滿足日益增長的用戶需(xū)求,北鬥係統將加強衛星、原子鍾、信號體製等方麵(miàn)的技術(shù)研發,探索發(fā)展(zhǎn)新一代導航定位授時技術,持續提升服務性能。??提供全球服務。發射(shè)新一代導航衛(wèi)星,研製(zhì)更高性能的星(xīng)載原子鍾(zhōng),進一步提高衛星性能與壽命(mìng),構建穩定可靠的星間鏈路;增發更(gèng)多的導航信號,加強與其他(tā)衛星導航係統(tǒng)的兼(jiān)容與互操作,為全球(qiú)用戶提供更好(hǎo)的服務。
為什麽會在(zài)這裏強調“原(yuán)子鍾”?一是,“原(yuán)子鍾”在衛(wèi)星(xīng)中非常重要,二是,目前“原子(zǐ)鍾”技術不夠(gòu)完善。
衛星導航的基本原理就(jiù)是精確測(cè)量微波信號從衛星走到你跟前所用的時間,再乘以光速就可以得到天上的衛(wèi)星和你之間的準確距離。以(yǐ)前的(de)鍾不夠準,所以GPS的民用精度也就十來米。理論(lùn)上如果鍾的精度提高,導航精度(dù)也會改(gǎi)善。
導航都依賴原子鍾,因為隻有原子鍾能夠在足夠小的體積內(nèi)實現優於1納秒的精度。但現在的導航衛星,無論是GPS還是北(běi)鬥,都使用普通原子鍾(zhōng),也可以稱為熱原子鍾(相對冷原子鍾而言)。其基本原理是利用特殊原子(例(lì)如(rú)氫原子、銣原子(zǐ)、銫原子)的某個特定躍遷頻率,這個頻率有極高(gāo)的穩(wěn)定性,精度(dù)可以到皮秒甚至飛秒,但原子(zǐ)的這個躍遷頻率不能直接用,需要通(tōng)過電磁波與原子相互作用,間接地用電磁波把這個頻率導出來(lái),這是原子鍾的基本原理。
在百(bǎi)度裏搜到以下這段,感覺解釋(shì)得很清楚。
【根據量子物理(lǐ)學的基本原理,原子是按照不同電子排列順(shùn)序(xù)的能量差,也就是圍繞在原子核周圍不(bú)同電子層的能量差,來吸收(shōu)或釋放電磁能(néng)量的.這裏電磁能量是不連續的.當原子從一個“能量態”躍遷至低的“能量態”時,它便會釋放電磁波.這種電磁波特征頻率是不連續的,這也就(jiù)是人們所說的共振頻率.同一種原子的(de)共振頻率是一定的?例如銫133的共振頻率為每秒9192631770周.因此銫(sè)原子便用作一種節拍器來保(bǎo)持高度精確的時間(jiān)。】
【30年代,拉比和他的學生們在(zài)哥倫比(bǐ)亞大學的實驗(yàn)室裏(lǐ)研究原子和原子核的基本特性.也就是在這裏,他們在依(yī)靠這種原(yuán)子計時器來製造時鍾方麵邁出了有價值的第一步.在其研究過程中,拉比發明了一種被稱為磁共(gòng)振的技術.依靠這項技術,他便(biàn)能夠測量出原子的自然共振頻率.為此他還獲得了1944年(nián)諾(nuò)貝爾獎.同年,他還首先提出“要討論討論這樣一個想法”(他的學生這樣說道),也就是這些(xiē)共振頻率的準確性如此之高,完全可以(yǐ)用(yòng)來製(zhì)作(zuò)高精度(dù)的時鍾.他還特別提(tí)出要利用所(suǒ)謂原子的“超精細躍(yuè)遷”的頻率.這(zhè)種超精細躍遷指的是隨原子核和電(diàn)子之間不同的磁作(zuò)用(yòng)變化而引起的兩(liǎng)種具有細微能量差別的狀態之間的(de)躍遷。】
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