深空原子鐘：讓航天器自主導航

NASA的深空原子鐘將前往近地軌道進行為期一年的測設 來源：英國《科學新聞》網(wǎng)

你想過嗎？有朝一日，遨游太陽系可能會像搭乘公共汽車上班一樣容易——自動駕駛宇宙飛船運送宇航員穿越深空，類似GPS的定位系統(tǒng)將引導游客在其他行星和衛(wèi)星表面穿越各種地形。但要實現(xiàn)這些充滿未來感的導航計劃，航天器和衛(wèi)星需要配備計時精度*的時鐘，這就是美國國家航空航天局（NASA）的深空原子鐘。

據(jù)英國《科學新聞》周刊網(wǎng)近日報道，一個深空原子鐘樣本于24日試飛，有望成為有史以來穩(wěn)定的太空原子鐘。該項目研究員、NASA噴氣推進實驗室的伊爾·舒伯特在新聞發(fā)布會上說，這種迷你原子鐘將安裝在未來的宇宙飛船或衛(wèi)星上，可能“*改變我們的航天器在深空的導航方式”。

新原子鐘為何這么靠譜

據(jù)悉，NASA的深空原子鐘對每一秒計量的一致程度大約是GPS衛(wèi)星上原子鐘的50倍——也就是每1000萬年才會出現(xiàn)1秒鐘的偏差，與NASA“深空網(wǎng)絡”所使用的地面原子鐘的精度相當。地面原子鐘利用無線電天線與整個太陽系的航天任務進行通信。但與那些冰箱大小的原子鐘不同，烤面包機大小的深空原子鐘更小，可以搭載在航天器上。

新原子鐘為何這么可靠呢？該項目研究員、NASA噴氣推進實驗室的托德·埃利解釋說，這種新的原子鐘利用帶電的汞原子或離子來計時，而目前地球GPS衛(wèi)星上的原子鐘則使用中性的銣原子來計時。由于深空原子鐘內(nèi)部的汞原子帶有電荷，它們會被困在電場中，因而無法與其容器壁相互作用；相比之下，GPS原子鐘內(nèi)部的這種相互作用會導致銣原子失去節(jié)奏。

GPS衛(wèi)星時鐘需要地球上的指揮中心每天進行兩次修正，但新的原子鐘更加可靠，不需要頻繁修正。埃利說：“如果你有深空原子鐘，那么每天兩次（修正）可能會變成數(shù)周一次，甚至數(shù)月一次。”

從雙向中繼變單向導航

那么，深空原子鐘大的作用是什么？研究人員稱，主要是幫助航天器實現(xiàn)自主導航。舒伯特說：“今天探索深空的每一臺航天器都依賴在地球上進行的導航操作。”

他解釋道，地面天線通過雙向中繼系統(tǒng)（two-way relay system）向航天器發(fā)送信號，然后航天器把信號發(fā)射回來。通過測量信號的往返時間，“深空網(wǎng)絡”的地面原子鐘可以幫助確定航天器的位置。這種導航方法意味著，無論太空探索任務在太陽系中行進至何處，航天器仍然像一只被拴在地球上的風箏，等待來自地球的行進指令，才能繼續(xù)前行。但是有了深空原子鐘，“我們可以過渡到所謂的單向追蹤”。宇宙飛船將用其來測量追蹤信號從地球抵達飛船所需的時間，而無需將信號發(fā)回地面的原子鐘進行測量，這將使航天器能夠判斷自己的軌道。

能自我定位、自主導航的航天器可以使宇航員在不需要接收地球指令的情況下，自行穿越太陽系。埃利說：“在火星這樣的地方，（追蹤信號）往返時間為8—40分鐘；在木星，可能是一個半小時；而在土星，則是兩個半小時。”

由于飛行器能自我定位，宇航員可以更加靈活地開展行動，更及時地對意外情況作出反應。

在其他星球上，探測器可利用其攜帶的深空原子鐘來廣播帶有時間標記的信號，任何GPS地面接收器都可以利用這些信號，通過三角測量法確定它的位置。另外，攜帶深空原子鐘的多個航天器可以圍繞火星運行，創(chuàng)建出一個類似GPS的網(wǎng)絡，為火星上的探測車和宇航員指示方向。

進行為期一年的測試

這個原子鐘樣本從NASA位于美國佛羅里達州卡納維拉爾角的*航天中心發(fā)射。研究人員將對其在近地軌道的表現(xiàn)進行為期一年的監(jiān)測，以測試這臺原子鐘在太空中的穩(wěn)定性及其一整年的運行情況。埃利說：“我們的目標是每天誤差為2納秒左右，或者不到2納秒。”

舒伯特表示，如果深空原子鐘在太空中試驗的這一年進展順利，那么它早在本世紀30年代就可以開始執(zhí)行任務，能為未來的單向導航打好基礎。宇航員將可以用其在月球表面進行導航，也可以安全地自主執(zhí)行任務，前往火星以及更遠的深空。減少與地球之間的通信——這將是航天器目前航行方式的巨大改進。

深空原子鐘：讓航天器自主導航