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原子钟让前往火星的“航班”准时、准确

原创:牧夫天文

翻译:陈杰

校译:牧夫天文校对组

编排:王招君 刘瑞宁

后台:库特莉亚芙卡 李子琦

原文链接:

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7427

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NASA喷气推进实验室研制的深空原子钟,是一种能改变航天器导航方式的新设备。今年6月下旬,该设备的新一代技术演示装置将搭载在SpaceX的猎鹰重型火箭发射的轨道试验卫星上,这是自主驾驶航天器的关键部件,也可以作为类似GPS的导航系统应用于其他领域。

NASA新的导航方式将帮助航天器自动并且安全地到达像月球和火星这样的目的地。

目前的导航系统在地面上计算航天器的位置信息,再通过双向中继系统将其发送至航天器(通常需要花几分钟到几小时),从而告诉航天器如何运动。这种导航方法意味着航天器无论飞出多远,它仍然被“拴”在地上,等待着来自地球的命令。

这种限制使得未来载人探测外星的任务变得困难重重。如果航天员在离地球很远的地方,该如何实时导航呢?此外,当通信延迟影响他们及时调整进入大气的轨道时,他们如何准确降落在另一个星球上呢?

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深空原子钟

NASA的深空原子钟(与烤面包机尺寸相近)旨在解决这些问题。这是第一款体积小并且稳定性高的类似GPS的设备。这种设备的技术演示装置将于6月下旬,通过SpaceX的猎鹰重型火箭发射入轨,并通过一年的时间验证它是否可以使航天器获得自身的位置信息。

如果深空原子钟在太空试验的这一年中进展顺利,这种像GPS一样的导航设备将为未来的单向导航铺平道路,它将为宇航员在月球表面的活动、火星载人任务甚至到达更远的地方提供导航。

该项目的副首席研究员Jill Seubert介绍说:“目前每个深空探测器都是由来自地面的导航设备提供的位置信息进行操控的,深空原子钟将使自主导航和自动控制航天器成为可能。”

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猎鹰重型火箭

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深空中没有GPS

在太空中使用原子钟并不是一件新鲜事。每个GPS设备和智能手机都通过环绕地球的卫星上的原子钟确定其位置。GPS接收器通过接收至少三个太空GPS卫星发送的信号得到距离和角度信息,从而来确定接收器的位置。

目前,GPS还不能为地球轨道以外的航天器提供位置信息。GPS卫星上的原子钟还无法为航天器发送足够精确的位置信息,即使不到1秒的中断也会导致航天器远离目标行星数公里。

在地球上的航天器导航系统使用巨型天线发射信号,并由航天器反射回地球。地球上极精确的原子钟可以测量出这段路程的精确距离,从而得到航天器的距离和速度,之后,导航才能再将这些信息发送给航天器,告诉航天器该去哪儿。

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这种原理与回声完全相同,如果站在一座山前喊叫,回声回到我们身边的时间越长,这座山就越远。

这种双向导航的方式意味着不论航天器飞多远,它都必须等待携带命令的信号跨越行星之间的漫长距离。近年来一个知名的例子是,好奇号在火星着陆14分钟后,人们才得到了它安全着陆的信息。这个延迟时间只是一个平均时间,由于地球和火星相对位置的变化,单向信息传递实际上需要4到20分钟。

对于深空导航来说,这是一个缓慢而且费力的过程,让NASA深空网络的巨型天线变得像一条繁忙的电话线。在信息传递的过程中,航天器以每小时数万公里的速度运动着,当我们得到它的位置信息时,它就在另一个地方了。

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更好的导航方式

一个能够在航天器上搭载的足够小并且足够精确的原子钟,将可以解除深空任务对双向导航系统的依赖。未来的导航设备从地球发送信号到航天器,航天器上的原子钟通过测量信号到达所需要的时间,就能够计算自己的位置和轨迹,基本上就能为航天器的运动指示方向了。

深空原子钟首席研究员Todd Ely表示:“搭载原子钟可以使航天器拥有便携的无线电导航,将它与光学导航相结合,可以为航天员提供更准确、更安全的导航方式。”

这种单向导航适用于火星探测以及更远的航天任务。通过向太空发射一个信号,DSN天线能够为多个航天器提供信息。这项新技术可以提高GPS的准确性。此外,搭载深空原子钟的多个航天器可以围绕火星运行,创建一个类似GPS的导航网络,为火星表面的机器人和航天员提供位置信息。

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双向导航与单向导航

领导离子钟开发的Eric Burt说到:“深空原子钟不仅有助于改善地球上的导航系统,而且能够在其他星球建立导航系统,这相当于在其他星球上拥有和GPS一样的导航系统。”

JPL时钟物理学家Burt、RobertTjoelker和John Prestage发明了这种汞离子钟,它在空间中的稳定性与地面上冰箱大小的原子钟一样。实验室测试表明深空原子钟的精度是GPS时钟的50倍,它工作一千万年误差只有1秒。

通过深空原子钟在太空的演示实验,我们能够确定它在地球轨道上是否稳定。如果实验成功,深空原子钟将最早于2030年在航天器上应用。自动控制的航天器将会把人类带到更远的地方。

深空原子钟由美国科罗拉多州恩格尔伍德市的通用原子电磁系统公司提供,并搭载在航天器上。该项目由美国宇航局太空技术任务理事会的技术示范任务计划和美国宇航局人类探索和作战任务理事会的空间通信和导航计划共同赞助,并由JPL管理。

拓展阅读

关于NASA深空原子钟的五件事:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/five-things-to-know-about-nasas-deep-space-atomic-clock

SpaceX猎鹰重型火箭搭载深空原子钟的其他信息:

https://www.nasa.gov/spacex

『天文时刻』 牧夫出品

微信号:astronomycn

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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)

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