光学时钟“升天”助力精准导航

不过，要想更好地了解这项研究的重要性，首先要清楚光学时钟的原理。目前，光学时钟分为单离子囚禁光钟和冷原子光晶格钟两大类。不论哪种光学时钟，都需要在超高真空环境下，采用激光冷却技术对离子或原子进行减速、冷却，并最终实现磁光阱“囚禁”，随后采用离子阱或光晶格技术实现对离子或原子进行“长期囚禁”，并用激光器对其进行锁定，最终采用飞秒光梳技术实现光学频率和微波频率的相干链接，也就是前文提到的新技术。

简单来说，从形状上看，飞秒光梳很像一把“梳子”，当它被锁模激光器锁定后，便成为了一把可以测量光频率的尺子，每个梳齿即是这把光尺的刻度。光频率梳把光频测量转换成一系列的射频测量，是实现光钟和光频精密测量的一次革命。

中国计量科学研究院时间频率计量研究所所长方占军在接受《中国科学报》记者采访时解释道：“飞秒激光光学频率梳是光钟研究的关键技术之一，它实现了光学频率和微波频率以及不同光学频率之间的相干链接，使得原来极其复杂艰巨的绝对光学频率测量工作变得相对简单。”

因为飞秒光束的复杂性与重要性，在光学时钟的组件中，其体积也比较大。然而此次公布的紧凑型自动激光频率梳系统，大小仅22厘米×14.2厘米，重约22公斤，基于光纤原理制成，因此它可以被安装进卫星，并且可以经受在离开地球时极端的加速度产生的力和温度变化的影响。更重要的是，它的功耗低于70瓦，足以满足卫星设备的要求。

时间与卫星定位更精准

提升时间精度与卫星定位有什么关系呢？方占军解释说：“卫星定位导航与无线电定位导航的原理是一样的，即通过时间测量实现几何距离测量，时间测量的精度也就决定了定位导航的精度。”

一般来说，现在的卫星导航定位系统中都会安装时钟，这些时钟的稳定度决定了定位导航系统的时间测量精度，从而决定了定位导航的精度。目前导航卫星上使用的是铷原子钟和铯原子钟。

“铷钟和铯钟都属于微波原子钟，其天稳定度在10-14~10-15，它限制了卫星定位的精度在米的量级。如果未来用更高稳定度的光钟来替代现在使用的铷钟和铯钟，有可能将卫星定位导航的精度提高到厘米量级。”方占军说，“必须说明的是，要实现厘米量级的定位导航，仅仅在卫星上放置高稳定度的星载光钟是不够的，还需要有更高准确度的星历参数，更精确的电离层、对流层时间延迟修正模型，更精确的星载原子钟校准同步技术等。”