中国为无人机群构建世界上最小的原子钟

无人机群中的计时至关重要

单架无人机是一个平台。协调的由数十架或数百架无人机组成的群体在质量上是不同的——一个分布式系统，能够进行同时多角度攻击、协调干扰、具有重叠视野的持续监视以及远比任何单个单位更难防御的集体行为。无人机群的战术潜力已在多次最近的冲突中得到证明，世界各地的军事规划者正在大力投资于开发群体能力和防御对手群体。

但群体协调有一个基本的技术要求：计时。协同行动的无人机需要在非常小的时间窗口内同步其行动——在某些应用中为纳秒级——以实现使群体在军事上有用的协调效应。GPS为许多当前应用提供计时，但基于GPS的计时有众所周知的漏洞：信号可以在竞争的电磁环境中被干扰、欺骗或拒止。群体需要的是不依赖外部信号的计时源——一个独立的时钟，精度足以在操作相关的时间段内保持纳秒级同步。

原子钟及其大小为何重要

原子钟通过使用原子的极其精确和稳定的振荡频率——通常是铯或铷——作为时间基准来工作。cesium-133的共振频率被用来定义国际标准秒，其稳定性是如此之高，以至于铯原子钟每3亿年大约损失一秒。对于需要高度精确时间同步的应用，没有比这更好的可用技术。

问题一直是尺寸和功耗。传统原子钟是房间大小的仪器。在过去二十年中开发的芯片级原子钟将这些减小到火柴盒大小的设备，可以集成到手持设备中，但即使这样也对最小的无人机来说太大且功耗太高。携带火柴盒大小原子钟的无人机是一架无法携带其主要有效载荷的无人机。

据报道，中国团队的设备明显小于现有的芯片级原子钟，同时保持足以用于无人机群应用的精度。研究中引用的具体尺寸和精度数据将其置于与小型战术无人机集成相兼容的范围内，不会造成过度的重量或功率处罚。

技术方法

微型化成就依靠多个领域同时取得的进步。物理包——包含原子和激光系统以询问其共振的部分——通过MEMS制造技术缩小，这些技术允许构造微型蒸气细胞和光子组件。控制电子已集成到定制硅芯片中，这些芯片以比以前设计小得多的占用空间实现所需的性能。

实现无人机集成所需的功耗降低部分通过微型化本身实现——较小的物理元件需要更少的能量来控制——部分通过重新设计的控制算法实现，这些算法减少了功耗密集型操作的占空比，同时保持计时精度。所产生的系统在无外部参考更新的情况下为任务相关的时间段内的群体同步实现足够的精度。

军事和民用应用

显而易见的军事应用是无人机群计时独立于GPS。但同样的技术具有重要的民用应用。电信网络需要5G和新兴6G系统的精确计时同步。无法依赖GPS的导航系统——用于隧道、城市峡谷或其他GPS拒止环境中的操作——受益于高精度自包含时钟。微型化原子钟的竞赛也在美国进行。DARPA资助了多个针对芯片级原子钟的项目，目标是改进精度和降低功耗，包括Atomic Clock with Enhanced Stability项目。美国和中国在这一领域的竞争动态是更广泛的双用途计时和导航技术竞争的一部分。

验证和意义

中国团队的声明尚未通过其他团体的同行评审和复制进行独立验证。该领域微型化记录的声明需要仔细审查：重要的性能指标——精度、随时间的稳定性、功耗以及对实际条件下振动和温度变化的抵抗——必须全部得到证明，而不仅仅是标题大小数字。

如果性能声明得到验证，该技术代表无人机群战术自主性的有意义进步，对防御规划者如何考虑GPS拒止作为反群体战略产生了影响。能够在没有GPS的情况下保持精确内部同步的系统对于对手开发的用于击败GPS依赖平台的电子战术更具弹性。

本文基于Interesting Engineering的报道。阅读原文。