原子鐘讓前往火星的“航班”準時、準確_風聞
观察者网用户_244575-2019-06-19 08:23
原創：牧夫天文
翻譯：陳杰
校譯：牧夫天文校對組
編排：王招君 劉瑞寧
後台：庫特莉亞芙卡 李子琦
原文鏈接：
https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7427
NASA噴氣推進實驗室研製的深空原子鐘，是一種能改變航天器導航方式的新設備。今年6月下旬，該設備的新一代技術演示裝置將搭載在SpaceX的獵鷹重型火箭發射的軌道試驗衞星上，這是自主駕駛航天器的關鍵部件，也可以作為類似GPS的導航系統應用於其他領域。
NASA新的導航方式將幫助航天器自動並且安全地到達像月球和火星這樣的目的地。
目前的導航系統在地面上計算航天器的位置信息，再通過雙向中繼系統將其發送至航天器（通常需要花幾分鐘到幾小時），從而告訴航天器如何運動。這種導航方法意味着航天器無論飛出多遠，它仍然被“拴”在地上，等待着來自地球的命令。
這種限制使得未來載人探測外星的任務變得困難重重。如果航天員在離地球很遠的地方，該如何實時導航呢？此外，當通信延遲影響他們及時調整進入大氣的軌道時，他們如何準確降落在另一個星球上呢？
深空原子鐘
NASA的深空原子鐘（與烤麪包機尺寸相近）旨在解決這些問題。這是第一款體積小並且穩定性高的類似GPS的設備。這種設備的技術演示裝置將於6月下旬，通過SpaceX的獵鷹重型火箭發射入軌，並通過一年的時間驗證它是否可以使航天器獲得自身的位置信息。
如果深空原子鐘在太空試驗的這一年中進展順利，這種像GPS一樣的導航設備將為未來的單向導航鋪平道路，它將為宇航員在月球表面的活動、火星載人任務甚至到達更遠的地方提供導航。
該項目的副首席研究員Jill Seubert介紹説：“目前每個深空探測器都是由來自地面的導航設備提供的位置信息進行操控的，深空原子鐘將使自主導航和自動控制航天器成為可能。”
獵鷹重型火箭
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深空中沒有GPS
在太空中使用原子鐘並不是一件新鮮事。每個GPS設備和智能手機都通過環繞地球的衞星上的原子鐘確定其位置。GPS接收器通過接收至少三個太空GPS衞星發送的信號得到距離和角度信息，從而來確定接收器的位置。
目前，GPS還不能為地球軌道以外的航天器提供位置信息。GPS衞星上的原子鐘還無法為航天器發送足夠精確的位置信息，即使不到1秒的中斷也會導致航天器遠離目標行星數公里。
在地球上的航天器導航系統使用巨型天線發射信號，並由航天器反射回地球。地球上極精確的原子鐘可以測量出這段路程的精確距離，從而得到航天器的距離和速度，之後，導航才能再將這些信息發送給航天器，告訴航天器該去哪兒。
這種原理與回聲完全相同，如果站在一座山前喊叫，回聲回到我們身邊的時間越長，這座山就越遠。
這種雙向導航的方式意味着不論航天器飛多遠，它都必須等待攜帶命令的信號跨越行星之間的漫長距離。近年來一個知名的例子是，好奇號在火星着陸14分鐘後，人們才得到了它安全着陸的信息。這個延遲時間只是一個平均時間，由於地球和火星相對位置的變化，單向信息傳遞實際上需要4到20分鐘。
對於深空導航來説，這是一個緩慢而且費力的過程，讓NASA深空網絡的巨型天線變得像一條繁忙的電話線。在信息傳遞的過程中，航天器以每小時數萬公里的速度運動着，當我們得到它的位置信息時，它就在另一個地方了。
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更好的導航方式
一個能夠在航天器上搭載的足夠小並且足夠精確的原子鐘，將可以解除深空任務對雙向導航系統的依賴。未來的導航設備從地球發送信號到航天器，航天器上的原子鐘通過測量信號到達所需要的時間，就能夠計算自己的位置和軌跡，基本上就能為航天器的運動指示方向了。
深空原子鐘首席研究員Todd Ely表示：“搭載原子鐘可以使航天器擁有便攜的無線電導航，將它與光學導航相結合，可以為航天員提供更準確、更安全的導航方式。”
這種單向導航適用於火星探測以及更遠的航天任務。通過向太空發射一個信號，DSN天線能夠為多個航天器提供信息。這項新技術可以提高GPS的準確性。此外，搭載深空原子鐘的多個航天器可以圍繞火星運行，創建一個類似GPS的導航網絡，為火星表面的機器人和航天員提供位置信息。
雙向導航與單向導航
領導離子鍾開發的Eric Burt説到：“深空原子鐘不僅有助於改善地球上的導航系統，而且能夠在其他星球建立導航系統，這相當於在其他星球上擁有和GPS一樣的導航系統。”
JPL時鐘物理學家Burt、RobertTjoelker和John Prestage發明了這種汞離子鍾，它在空間中的穩定性與地面上冰箱大小的原子鐘一樣。實驗室測試表明深空原子鐘的精度是GPS時鐘的50倍，它工作一千萬年誤差只有1秒。
通過深空原子鐘在太空的演示實驗，我們能夠確定它在地球軌道上是否穩定。如果實驗成功，深空原子鐘將最早於2030年在航天器上應用。自動控制的航天器將會把人類帶到更遠的地方。
深空原子鐘由美國科羅拉多州恩格爾伍德市的通用原子電磁系統公司提供，並搭載在航天器上。該項目由美國宇航局太空技術任務理事會的技術示範任務計劃和美國宇航局人類探索和作戰任務理事會的空間通信和導航計劃共同贊助，並由JPL管理。
拓展閲讀
關於NASA深空原子鐘的五件事：
https://www.nasa.gov/feature/jpl/five-things-to-know-about-nasas-deep-space-atomic-clock
SpaceX獵鷹重型火箭搭載深空原子鐘的其他信息：
『天文時刻』 牧夫出品
微信號：astronomycn
Storm Rages in Cosmic Teacup
Image Credit（X-ray:：NASA/CXC/Univ. of Cambridge/G. Lansbury et al; Optical：NASA/STScI/W. Keel et al）