彈載原子鐘：GPS制導技術新進展

作者：郭衍瑩

來源：國防部網站

GPS制導精度有限

20世紀90年代以來，藉助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採用GPS制導後，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，構成複合制導。例如，戰略導彈（包括洲際導彈和巡航導彈），採用GPS+慣性導航組成的複合制導。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、炸彈和炮彈也採用複合制導，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佈局囚禁原理（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製的CPT原子鐘甚至比一粒米還小。這種原子鐘可集成到芯片上，因此也被稱爲芯片原子鐘。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，都遠勝於傳統的石英鐘。因此，很多專家認爲，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》雜誌稱，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於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，採用CPT原子鐘可滿足這一要求。

值得一提的是，目前由我國自主研製、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製能力的單位，已經爲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)是一種利用時間差爲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，那麼，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。由於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，隨着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，達到釐米級。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，成爲新的研究課題。

CPT原子鐘的出現，爲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。