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深空原子钟:让航天器自主导航

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2019-06-2709:36  来源:科技日报
 

  你想过吗?有朝一日,遨游太阳系可能会像搭乘公共汽车上班一样容易——自动驾驶宇宙飞船运送宇航员穿越深空,类似GPS的定位系统将引导游客在其他行星和卫星表面穿越各种地形。但要实现这些充满未来感的导航计划,航天器和卫星需要配备计时精度极高的时钟,这就是美国国家航空航天局(NASA)的深空原子钟。

  据英国《科学新闻》周刊网站近日报道,一个深空原子钟样本于24日试飞,有望成为有史以来最稳定的太空原子钟。该项目首席研究员、NASA喷气推进实验室的伊尔·舒伯特在新闻发布会上说,这种迷你原子钟将安装在未来的宇宙飞船或卫星上,可能“彻底改变我们的航天器在深空的导航方式”。

  新原子钟为何这么靠谱

  据悉,NASA的深空原子钟对每一秒计量的一致程度大约是GPS卫星上原子钟的50倍——也就是每1000万年才会出现1秒钟的偏差,与NASA“深空网络”所使用的地面原子钟的精度相当。地面原子钟利用无线电天线与整个太阳系的航天任务进行通信。但与那些冰箱大小的原子钟不同,烤面包机大小的深空原子钟更小,可以搭载在航天器上。

  新原子钟为何这么可靠呢?该项目研究员、NASA喷气推进实验室的托德·埃利解释说,这种新的原子钟利用带电的汞原子或离子来计时,而目前地球GPS卫星上的原子钟则使用中性的铷原子来计时。由于深空原子钟内部的汞原子带有电荷,它们会被困在电场中,因而无法与其容器壁相互作用;相比之下,GPS原子钟内部的这种相互作用会导致铷原子失去节奏。

  GPS卫星时钟需要地球上的指挥中心每天进行两次修正,但新的原子钟更加可靠,不需要频繁修正。埃利说:“如果你有深空原子钟,那么每天两次(修正)可能会变成数周一次,甚至数月一次。”

  从双向中继变单向导航

  那么,深空原子钟最大的作用是什么?研究人员称,主要是帮助航天器实现自主导航。舒伯特说:“今天探索深空的每一台航天器都依赖在地球上进行的导航操作。”

  他解释道,地面天线通过双向中继系统(two-way relay system)向航天器发送信号,然后航天器把信号发射回来。通过测量信号的往返时间,“深空网络”的地面原子钟可以帮助确定航天器的位置。这种导航方法意味着,无论太空探索任务在太阳系中行进至何处,航天器仍然像一只被拴在地球上的风筝,等待来自地球的行进指令,才能继续前行。但是有了深空原子钟,“我们可以过渡到所谓的单向追踪”。宇宙飞船将用其来测量追踪信号从地球抵达飞船所需的时间,而无需将信号发回地面的原子钟进行测量,这将使航天器能够判断自己的轨道。

  能自我定位、自主导航的航天器可以使宇航员在不需要接收地球指令的情况下,自行穿越太阳系。埃利说:“在火星这样的地方,(追踪信号)往返时间为8—40分钟;在木星,可能是一个半小时;而在土星,则是两个半小时。”

  由于飞行器能自我定位,宇航员可以更加灵活地开展行动,更及时地对意外情况作出反应。

  在其他星球上,探测器可利用其携带的深空原子钟来广播带有精确时间标记的信号,任何GPS地面接收器都可以利用这些信号,通过三角测量法确定它的位置。另外,携带深空原子钟的多个航天器可以围绕火星运行,创建出一个类似GPS的网络,为火星上的探测车和宇航员指示方向。

  进行为期一年的测试

  这个原子钟样本从NASA位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射。研究人员将对其在近地轨道的表现进行为期一年的监测,以测试这台原子钟在太空中的稳定性及其一整年的运行情况。埃利说:“我们的目标是每天误差为2纳秒左右,或者不到2纳秒。”

  舒伯特表示,如果深空原子钟在太空中试验的这一年进展顺利,那么它最早在本世纪30年代就可以开始执行任务,能为未来的单向导航打好基础。宇航员将可以用其在月球表面进行导航,也可以安全地自主执行任务,前往火星以及更远的深空。减少与地球之间的通信——这将是航天器目前航行方式的巨大改进。

  (科技日报北京6月25日电)

(责编:赵竹青、吕骞)

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