每1000萬年僅1秒偏差，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試。圖片來源：英國《科學新聞》網站

　　來源：科技日報

　　你想過嗎？有朝一日，遨遊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的定位系統將引導遊客在其他行星和衛星表面穿越各種地形。但要實現這些充滿未來感的導航計劃，航天器和衛星需要配備計時精度極高的時鐘，這就是美國國家航空航天局（NASA）的深空原子鐘。

　　據英國《科學新聞》周刊網站近日報道，一個深空原子鐘樣本於24日試飛，有望成為有史以來最穩定的太空原子鐘。該項目首席研究員、NASA噴氣推進實驗室的伊爾·舒伯特在新聞發布會上說，這種迷你原子鐘將安裝在未來的宇宙飛船或衛星上，可能「徹底改變我們的航天器在深空的導航方式」。

　　新原子鐘為何這麼靠譜

　　據悉，NASA的深空原子鐘對每一秒計量的一致程度大約是GPS衛星上原子鐘的50倍——也就是每1000萬年才會出現1秒鐘的偏差，與NASA「深空網路」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，烤麵包機大小的深空原子鐘更小，可以搭載在航天器上。

　　新原子鐘為何這麼可靠呢？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衛星上的原子鐘則使用中性的銣原子來計時。由於深空原子鐘內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原子鐘內部的這種相互作用會導致銣原子失去節奏。

　　GPS衛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，那麼每天兩次（修正）可能會變成數周一次，甚至數月一次。」

　　從雙向中繼變單嚮導航

　　那麼，深空原子鐘最大的作用是什麼？研究人員稱，主要是幫助航天器實現自主導航。舒伯特說：「今天探索深空的每一台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（two-way relay system）向航天器發送信號，然後航天器把信號發射回來。通過測量信號的往返時間，「深空網路」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，航天器仍然像一隻被拴在地球上的風箏，等待來自地球的行進指令，才能繼續前行。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。」

　　由於飛行器能自我定位，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精確時間標記的信號，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，創建出一個類似GPS的網路，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位於美國佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射。研究人員將對其在近地軌道的表現進行為期一年的監測，以測試這台原子鐘在太空中的穩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，那麼它最早在本世紀30年代就可以開始執行任務，能為未來的單嚮導航打好基礎。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。

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