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                  彈載原子鐘:GPS制導技術新進展

                  2022-04-19 10:26:24 | 來源:中國國防報 | 參與: 0 | 作者:郭衍瑩

                  來源:中國國防報

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                  芯片原子鐘

                  GPS制導精度有限

                  20世紀90年代以來,借助GPS制導技術,導彈的打擊精度得到大幅提升。例如,美軍“戰斧”巡航導彈Block3采用GPS制導后,命中精度從9米提升至3米。

                  GPS制導的缺點是抗干擾性能差,通常與其他制導方式結合,構成復合制導。例如,戰略導彈(包括洲際導彈和巡航導彈),采用GPS+慣性導航組成的復合制導。慣性導航的優點是抗干擾性能好,缺點是隨時間產生漂移,兩者結合可實現優勢互補。戰術武器方面,如導彈、炸彈和炮彈也采用復合制導,如GPS+慣性導航,或者是GPS+紅外圖像制導。

                  另外,在CPT原子鐘出現前,科學家也在嘗試其他小型化原子鐘,例如銣原子鐘。其體積較小,結構緊湊,較容易實現小型化。

                  彈載原子鐘實現精確測量

                  CPT原子鐘是利用原子的相干布局囚禁原理(即CPT原理)實現的一種微型原子鐘,具有體積小、功耗低、穩定度高等優勢。據稱,美國國家標準與技術研究院研制的CPT原子鐘甚至比一粒米還小。這種原子鐘可集成到芯片上,因此也被稱為芯片原子鐘。它是目前唯一能夠用電池供電、長時間工作的原子鐘。在導彈、炮彈和炸彈上裝置CPT原子鐘,無論是定位精度、成本、體積和質量,都遠勝于傳統的石英鐘。因此,很多專家認為,CPT原子鐘是彈載原子鐘的重要發展方向。

                  CPT原子鐘與小型化銣原子鐘相比,兩者的穩定度指標接近,但前者體積和功耗更小。在一些不能承受銣原子鐘體積和功耗的應用場合,CPT原子鐘是理想的選擇。

                  俄羅斯《軍工信使》雜志稱,2020年以色列的兩次精確“斬首行動”,打擊距離和時間之精確,令外界震驚。這在很大程度上得益于其關鍵設備的芯片化和微型化。很多專家預言,CPT原子鐘的發展,將對GPS軍事應用帶來重大影響。

                  CPT原子鐘的出現,不僅在軍事領域,還對其他學科發展起到推動作用。如大地測量專業、水文專業等,往往要求定位精度達5毫米,采用CPT原子鐘可滿足這一要求。

                  值得一提的是,目前由我國自主研制、生產的原子鐘已達世界先進水平。據中國航天科工集團公司網站消息,該公司下屬研究所是國內唯一一所同時具備銣原子鐘、銫原子鐘和氫原子鐘研制能力的單位,已經為北斗全球導航系統提供了大量高性能原子鐘。

                  GPS(全球衛星導航系統)是一種利用時間差為用戶提供定位服務的系統,其關鍵設備是原子鐘。打個比方,衛星上的原子鐘在某時間發出信號,地面用戶在另一時間接收到該信號,那么,從衛星到地面用戶的距離是時間差乘以光速。理論上,只要地面用戶同時接收到3顆衛星發出的信號,就能測算出自己的精確位置,實現定位和導航。由于地面用戶不使用原子鐘,這一測算結果存在3米誤差。

                  近年來,隨著GPS的軍事應用越來越廣,用戶對GPS定位精度的要求越來越高,達到厘米級。如何使原子鐘實現小型化甚至微型化,使其可搭載在導彈等武器裝備上,成為新的研究課題。

                  CPT原子鐘的出現,為解決這一問題提供了方案。CPT原子鐘體積僅有半個火柴盒大小,且穩定度高,可將原來的3米誤差縮小至1米以下。

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