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光學時鐘技術可大幅提高GPS精度
來源:
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作者:dyclock
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發布時間: 2017-05-27
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據澳大利亞每日航天網和美國空間網綜合報道，近期，研究人員在太空測試了光學時鐘技術。該試驗使光學時鐘技術更進一步接近太空應用，可使基于GPS的導航實現厘米級的定位精度。
光學時鐘原理
光學時鐘原理
據澳大利亞每日航天網和美國空間網綜合報道，近期，研究人員在太空測試了光學時鐘技術。該試驗使光學時鐘技術更進一步接近太空應用，終可使基于GPS的導航實現厘米級的定位精度。
光學時鐘原理
在地球上，光學時鐘能比以往時鐘更精細地分割時間；在太空中，光學時鐘可用作GPS參考點，協調衛星并探索基本的物理學問題。光學時鐘和原子鐘的運行是通過測量從一個能級躍遷至另一個能級的原子振動實現的。光學時鐘以更高的振動頻率運行，這個頻率位于可見光波段，而原子鐘的振動頻率位于微波波段，因此，光學時鐘比原子鐘的“滴答”節奏更快。
電話及其他GPS使能設備至少需要4顆配備原子鐘的衛星才能實現定位，每顆衛星提供一個時間標記（Time Stamp），整個系統基于這些時間之間的相對偏差來計算位置。當前衛星使用的原子鐘基于銫原子的固有振動，其振動頻率位于微波波段；光學時鐘使用振動頻率位于可見光波段的原子或離子，比微波頻率高約10萬倍。頻率越高意味著比起以微波頻率運行的原子鐘，光學時鐘的“滴答”節奏更快，因此可提供準確度高100～1000倍的時間標記，大幅提升GPS精度。
試驗情況
比起定義“秒”這個時間單位的原子鐘，先進的光學時鐘可使時間更加準確，在數百億年內只有不到1秒的誤差。然而，其運行機制并不實用，在太空中容易受損。近期試驗測試了光學時鐘的硬件能否在發射過程和太空環境中保存。
這次具有歷史意義的飛行試驗在2015年4月執行，作為TEXUS項目的一部分，整個系統在瑞典雅斯蘭吉由探空火箭發射，經過6分鐘飛行后進入太空。一旦處于微重力環境，該系統開始自動測量，從地面站通過低帶寬射頻鏈路對其進行控制。試驗中，光學時鐘的精細頻率梳由德國航天局的微重力研究平臺搭載，經受了嚴酷的探空火箭發射條件，在太空停留6分鐘，隨后墜落地球。
2016年11月17日，研究人員已在光學學會主辦的《光學》（Optica）雜志上發表了關于新型自動化緊湊頻率梳激光系統的論文，該技術是天基光學時鐘的關鍵，頻率梳是使時鐘以光學頻率運行的必要裝置。該論文詳細闡述了試驗結果。論文作者、門羅系統公司Matthias Lezius表示，光學時鐘在太空中與在地面上一樣良好運行。
光學時鐘技術
頻率梳是光學時鐘的重要組件，能準確測量光頻振蕩并用于報時。過去，頻率梳一直是尺寸很大、非常復雜的裝置，只存在于實驗室。門羅系統公司的Lezius及其團隊研發了全自動化光學頻率梳，尺寸只有22×14.2厘米，重22千克。新型頻率梳基于光纖制成，足夠堅固，能承受發射過程中的加速力和溫度變化，其功耗低于70瓦，在星載設備的要求范圍之內。Lezius團隊縮小了頻率梳尺寸，并使用防護性硅橡膠對其進行保護。除了驗證在太空使用頻率梳的可行性，該試驗的目標還包括探討廣義相對論的限制。
未來計劃
盡管本次試驗的光學時鐘精度約為當前GPS衛星所用原子鐘的1/10，但研究人員已在致力于研發新型光學時鐘，將使精度提高幾個數量級。研究人員計劃再度發射具有更高精度的參考時鐘，還致力于降低頻率梳的重量。Lezius表示，計劃在2017年11月進行改進型光學時鐘的太空飛行試驗；試驗中，頻率梳模塊將不會在密封艙內運行，以測試其在真空條件下的運行情況，在衛星上運行時也面臨同樣的真空條件。研究人員還尋求進一步提高系統的抗輻射性，應對嚴酷的宇宙輻射，以確保能在軌運行多年。
Lezius及其團隊計劃在幾年內實現可在太空應用的頻率梳模塊，用于未來任務。這種模塊的目標體積約為3升，重數千克，功耗約為10瓦。
光學時鐘技術應用
頻率梳可實現高精度測量，用于多種應用。例如，天基頻率梳可提高衛星對全球溫室氣體的遙感精度，還可用于天基引力波探測器。Lezius表示，對于未來天基光學時鐘、準確計量和對地觀測技術而言，基于頻率梳的應用非常重要。空間頻率梳技術正在快速成熟化。隨著技術發展，光學時鐘技術將用于GPS定位、衛星導航和引力（甚至引力波）測量；頻率梳本身還能用于準確測量大氣層二氧化碳，并辨別圍繞遙遠恒星運行的行星特性。
光學時鐘原理
在地球上，光學時鐘能比以往時鐘更精細地分割時間；在太空中，光學時鐘可用作GPS參考點，協調衛星并探索基本的物理學問題。光學時鐘和原子鐘的運行是通過測量從一個能級躍遷至另一個能級的原子振動實現的。光學時鐘以更高的振動頻率運行，這個頻率位于可見光波段，而原子鐘的振動頻率位于微波波段，因此，光學時鐘比原子鐘的“滴答”節奏更快。
電話及其他GPS使能設備至少需要4顆配備原子鐘的衛星才能實現定位，每顆衛星提供一個時間標記（Time Stamp），整個系統基于這些時間之間的相對偏差來計算位置。當前衛星使用的原子鐘基于銫原子的固有振動，其振動頻率位于微波波段；光學時鐘使用振動頻率位于可見光波段的原子或離子，比微波頻率高約10萬倍。頻率越高意味著比起以微波頻率運行的原子鐘，光學時鐘的“滴答”節奏更快，因此可提供準確度高100～1000倍的時間標記，大幅提升GPS精度。
試驗情況
比起定義“秒”這個時間單位的原子鐘，先進的光學時鐘可使時間更加準確，在數百億年內只有不到1秒的誤差。然而，其運行機制并不實用，在太空中容易受損。近期試驗測試了光學時鐘的硬件能否在發射過程和太空環境中保存。
這次具有歷史意義的飛行試驗在2015年4月執行，作為TEXUS項目的一部分，整個系統在瑞典雅斯蘭吉由探空火箭發射，經過6分鐘飛行后進入太空。一旦處于微重力環境，該系統開始自動測量，從地面站通過低帶寬射頻鏈路對其進行控制。試驗中，光學時鐘的精細頻率梳由德國航天局的微重力研究平臺搭載，經受了嚴酷的探空火箭發射條件，在太空停留6分鐘，隨后墜落地球。
2016年11月17日，研究人員已在光學學會主辦的《光學》（Optica）雜志上發表了關于新型自動化緊湊頻率梳激光系統的論文，該技術是天基光學時鐘的關鍵，頻率梳是使時鐘以光學頻率運行的必要裝置。該論文詳細闡述了試驗結果。論文作者、門羅系統公司Matthias Lezius表示，光學時鐘在太空中與在地面上一樣良好運行。
光學時鐘技術
頻率梳是光學時鐘的重要組件，能準確測量光頻振蕩并用于報時。過去，頻率梳一直是尺寸很大、非常復雜的裝置，只存在于實驗室。門羅系統公司的Lezius及其團隊研發了全自動化光學頻率梳，尺寸只有22×14.2厘米，重22千克。新型頻率梳基于光纖制成，足夠堅固，能承受發射過程中的加速力和溫度變化，其功耗低于70瓦，在星載設備的要求范圍之內。Lezius團隊縮小了頻率梳尺寸，并使用防護性硅橡膠對其進行保護。除了驗證在太空使用頻率梳的可行性，該試驗的目標還包括探討廣義相對論的限制。
未來計劃
盡管本次試驗的光學時鐘精度約為當前GPS衛星所用原子鐘的1/10，但研究人員已在致力于研發新型光學時鐘，將使精度提高幾個數量級。研究人員計劃再度發射具有更高精度的參考時鐘，還致力于降低頻率梳的重量。Lezius表示，計劃在2017年11月進行改進型光學時鐘的太空飛行試驗；試驗中，頻率梳模塊將不會在密封艙內運行，以測試其在真空條件下的運行情況，在衛星上運行時也面臨同樣的真空條件。研究人員還尋求進一步提高系統的抗輻射性，應對嚴酷的宇宙輻射，以確保能在軌運行多年。
Lezius及其團隊計劃在幾年內實現可在太空應用的頻率梳模塊，用于未來任務。這種模塊的目標體積約為3升，重數千克，功耗約為10瓦。
光學時鐘技術應用
頻率梳可實現高精度測量，用于多種應用。例如，天基頻率梳可提高衛星對全球溫室氣體的遙感精度，還可用于天基引力波探測器。Lezius表示，對于未來天基光學時鐘、準確計量和對地觀測技術而言，基于頻率梳的應用非常重要。空間頻率梳技術正在快速成熟化。隨著技術發展，光學時鐘技術將用于GPS定位、衛星導航和引力（甚至引力波）測量；頻率梳本身還能用于準確測量大氣層二氧化碳，并辨別圍繞遙遠恒星運行的行星特性。
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