弹载原子钟：GPS制导技术新进展

作者：郭衍莹

来源：国防部网站

GPS制导精度有限

20世纪90年代以来，借助GPS制导技术，导弹的打击精度得到大幅提升。例如，美军“战斧”巡航导弹Block3采用GPS制导后，命中精度从9米提升至3米。

GPS制导的缺点是抗干扰性能差，通常与其他制导方式结合，构成复合制导。例如，战略导弹（包括洲际导弹和巡航导弹），采用GPS+惯性导航组成的复合制导。惯性导航的优点是抗干扰性能好，缺点是随时间产生漂移，两者结合可实现优势互补。战术武器方面，如导弹、炸弹和炮弹也采用复合制导，如GPS+惯性导航，或者是GPS+红外图像制导。

另外，在CPT原子钟出现前，科学家也在尝试其他小型化原子钟，例如铷原子钟。其体积较小，结构紧凑，较容易实现小型化。

弹载原子钟实现精确测量

CPT原子钟是利用原子的相干布局囚禁原理（即CPT原理）实现的一种微型原子钟，具有体积小、功耗低、稳定度高等优势。据称，美国国家标准与技术研究院研制的CPT原子钟甚至比一粒米还小。这种原子钟可集成到芯片上，因此也被称为芯片原子钟。它是目前唯一能够用电池供电、长时间工作的原子钟。在导弹、炮弹和炸弹上装置CPT原子钟，无论是定位精度、成本、体积和质量，都远胜于传统的石英钟。因此，很多专家认为，CPT原子钟是弹载原子钟的重要发展方向。

CPT原子钟与小型化铷原子钟相比，两者的稳定度指标接近，但前者体积和功耗更小。在一些不能承受铷原子钟体积和功耗的应用场合，CPT原子钟是理想的选择。

俄罗斯《军工信使》杂志称，2020年以色列的两次精确“斩首行动”，打击距离和时间之精确，令外界震惊。这在很大程度上得益于其关键设备的芯片化和微型化。很多专家预言，CPT原子钟的发展，将对GPS军事应用带来重大影响。

CPT原子钟的出现，不仅在军事领域，还对其他学科发展起到推动作用。如大地测量专业、水文专业等，往往要求定位精度达5毫米，采用CPT原子钟可满足这一要求。

值得一提的是，目前由我国自主研制、生产的原子钟已达世界先进水平。据中国航天科工集团公司网站消息，该公司下属研究所是国内唯一一所同时具备铷原子钟、铯原子钟和氢原子钟研制能力的单位，已经为北斗全球导航系统提供了大量高性能原子钟。

GPS(全球卫星导航系统)是一种利用时间差为用户提供定位服务的系统，其关键设备是原子钟。打个比方，卫星上的原子钟在某时间发出信号，地面用户在另一时间接收到该信号，那么，从卫星到地面用户的距离是时间差乘以光速。理论上，只要地面用户同时接收到3颗卫星发出的信号，就能测算出自己的精确位置，实现定位和导航。由于地面用户不使用原子钟，这一测算结果存在3米误差。

近年来，随着GPS的军事应用越来越广，用户对GPS定位精度的要求越来越高，达到厘米级。如何使原子钟实现小型化甚至微型化，使其可搭载在导弹等武器装备上，成为新的研究课题。

CPT原子钟的出现，为解决这一问题提供了方案。CPT原子钟体积仅有半个火柴盒大小，且稳定度高，可将原来的3米误差缩小至1米以下。