原子钟|美国DARPA启动电池供电原子钟研究，对GPS拒止环境精准授时意义重大

美国国防先期研究计划局（DARPA）正式启动“增强稳定性的原子钟计划”（ACES），旨在开发小体积、轻质、低功耗（SWaP）的平台，提高频率和授时精度。这些电池供电的原子钟上电后应在最短时间内完成校准，并在军事应用中维持一定的时间和频率精度。

研究背景

目前，性能最好的电池供电授时技术来自于DARPA“芯片级原子钟”（CSAC）项目，尺寸、重量、功耗等性能优于机械振荡原子钟百倍，产品已经商用。由于存在上电频率变化，所以上电后需要6～12小时完成校准；同时，由于频率的漂移和温度敏感性，所以芯片级原子钟工作时间只有3～6个小时。随着芯片级原子钟的广泛应用，DARPA研究人员期望未来能够采用电池供电原子钟提升稳定性。

图 芯片级原子钟示意图与实物图

研究内容

ACES项目将着重研究减小上电频率变化、长期频率漂移和频率温度敏感性等技术。具体包括：

第一阶段：各研究单位各自研究组件，但这些组件组合起来形成的原子钟稳定性需超过现有原子钟；

第二阶段：参与第二阶段的研究单位将集成和封装各组件，包括微型化激光、热控制器、快门、调制器/其他光学组件以及带有一个小容器的振荡原子，封装体积不大于30立方厘米；

第三阶段：同样是集成和封装组件，体积不大于50立方厘米，能够握在一只手中，可用于小型无人机。

美国空军对GPS拒止环境的授时需求方面，着重研究两个技术领域：（1）开发集成的ACES原子钟原型；（2）可替代的原子钟架构、组件技术和问询方法等基础研究。此外，还将研究原子钟原型机中的高风险或不成熟技术。

研究意义

精准授时与同步技术对美军通信、导航、侦查等电子系统至关重要。由于系统中的更高的数据速率、越来越严重的频谱拥挤以及基于时间的加密算法等问题，提高了系统对时间精准性和稳定性的要求。未来十年这种需求将持续增长，尤其在全球定位系统（GPS）拒止环境下对精确授时的需求，以及分布式平台内“系统的系统”组件间的同步需求。

大多数精准授时应用都依赖于GPS卫星上的原子钟。然而，GPS干扰威胁不断增大使这种授时方式不再可靠。地球或机载时钟在缺少卫星参考信号情况下持续的时间越长，卫星信号缺失造成的影响越小，无论这种缺失是自然因素造成的还是敌人造成的。性能优异的时钟能够降低对GPS的依赖，弥补国家安全方面存在的漏洞，可应用于军事甚至更多的民用领域。

参与企业

美国HRL实验室公司，第一阶段77.5万美元，第二阶段69.8万美元；

美国OEwaves公司，第一阶段170万美元；第二阶段110万美元；第三阶段170万美元；

美国物理科学公司（Physical Sciences），第一阶段24.4万美元；

美国Draper实验室，第一阶段280万美元，第二阶段270万美元，第三阶段220万美元。