国际瞭望|美国研发芯片级原子钟替代GPS计时系统
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编译：蓝荣钦（郑州信息工程大学，《慧天地》特约撰稿人），转载本文需经编译者授权和《慧天地》许可
在GPS无法使用的环境中，极小型原子钟可能是替代计时数据的关键所在。美国国防高级研究计划署（DARPA）示，他们在制造高度精确的模型方面取得了进展。
DARPA的ACES项目的三个研究团队在开发高精度芯片大小的原子钟方面都取得了进展
（图片由美国陆军的埃德里克·汤普森提供）
减少美国国防部各类武器系统对卫星GPS依赖的一种方法是在系统中植入精确的时钟，比如车辆或精确制导弹药。由于受尺寸、重量和功率的限制，现有最精确的内部时钟都太大、太笨重，可喜的是，计算机芯片大小的原子钟已经被开发出来，并且可以在美国国防部的系统中使用。
虽然芯片大小的原子钟技术在商业技术上是可行的，但这项技术远非完美。随着它们的尺寸、重量和功率的减小，这些时钟与传统的大时钟相比变得更不精确。提高芯片级原子钟的精度是为国防部提供可靠的GPS定时数据备份或替换的关键。
DARPA的“增强稳定的原子钟”项目简称ACES。旨在开发下一代电池驱动的芯片级原子钟，其性能提高了1000倍——尽管并非易事。
据有关专家介绍，把原子钟从大型铯束管缩小到芯片规模的设备，而不损害性能，需要重新考虑一些关键组件，包括真空泵和光学隔离器，以及组件集成的新方法，困难很大。
但在2019年8月20日，DARPA宣布，三个研究小组在这个问题上取得了进展。
由美国航空航天局喷气推进实验室领导的一个团队展示了一个芯片大小的原子钟实验，该原子钟符合“增强稳定的原子钟”项目设定的目标指标。DARPA官员说，新的原子钟对温度和环境问题不敏感，比以前的原子钟要好100倍。
美国国家标准与技术研究所也成功研制出一种微型原子钟，这种原子钟有三个小芯片和一些配套设备那么大。这种实验时钟比目前芯片大小的原子钟耗电量要少得多，而且精度要高50倍。而霍尼韦尔领导的第三个团队在开发能够支持原子钟小型化的精密原子传感器方面也取得了成功。
DARPA为“增强稳定的原子钟”项目制定的目标指标是很高的，但是当进入项目的第三阶段时，研究人员已经论证了他们在工程上的成功，包括减少了SWaP、实验室验证的原子钟技术，以及未来时钟架构的早期原型。
这些工作仍在继续，DARPA声称，制造技术的进步已经降低了与制造芯片大小的原子计算机相关的一些高成本。
开发GPS无法使用情况下的替代PNT系统，长期以来一直是军方的优先任务。目前PNT数据的主要来源是GPS卫星星座，它通过卫星信号在全球范围内提供计时信息。通过GPS提供的高精度计时数据对许多国防部的平台至关重要，从通信到导航到平台协调。它也有许多民用应用，如商业和银行。
GPS仍然是PNT数据的黄金标准，但它很脆弱。对手已经开发出干扰技术，可以阻断GPS信号，理论上，卫星本身也可能受到攻击或瘫痪。同时，随着新一代GPS卫星的发射和M-码的开发，美国空军正在努力使GPS信号更加强大。但完整的M-码仍需数年时间，即便如此，这些卫星仍容易受到攻击。
ACES项目只是寻找PNT替代来源努力的一部分。其他机构和服务机构正在开发自己的方法来提供或验证替代的PNT，例如空间发展机构希望在其拟议的大量小型卫星群中建立一个替代的PNT层。“增强稳定的原子钟”项目和这些其他的努力对于减少对GPS的依赖和实现军方PNT数据的多样化是至关重要的。
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