在我們的月球之外冒險(xiǎn)的航天器依靠與地球上的地面站的通信來(lái)弄清他們?cè)谀睦镆约八麄円ツ睦铩Ｃ绹?guó)宇航局的深空原子鐘正在努力讓這些遠(yuǎn)方的探索者在導(dǎo)航時(shí)有更多的自主權(quán)。在2021年6月30日發(fā)表在《自然》雜志上的一篇新論文中，該任務(wù)報(bào)告了他們?cè)谔岣咛旎隅婇L(zhǎng)期持續(xù)測(cè)量時(shí)間的能力方面的工作進(jìn)展。

這項(xiàng)功能可提高整套系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也影響到幫助人們?cè)诘厍蛏蠈?dǎo)航的GPS衛(wèi)星的運(yùn)行，因此這項(xiàng)工作也有可能提高下一代GPS航天器的自主性。

為了計(jì)算一個(gè)遙遠(yuǎn)的航天器的軌跡，工程師們將信號(hào)從航天器發(fā)送至地球并返回。他們?cè)诘孛嫔鲜褂帽浯笮〉脑隅妬?lái)記錄這些信號(hào)的時(shí)間，這對(duì)于精確測(cè)量航天器的位置至關(guān)重要。但是對(duì)于火星或更遙遠(yuǎn)的目的地的機(jī)器人來(lái)說(shuō)，等待信號(hào)的旅程可能很快就會(huì)增加到數(shù)十分鐘甚至數(shù)小時(shí)。

如果這些航天器攜帶原子鐘，它們可以計(jì)算出自己的位置和方向，但這些鐘必須高度穩(wěn)定。GPS衛(wèi)星攜帶原子鐘，幫助我們到達(dá)地球上的目的地，但這些時(shí)鐘需要每天更新幾次，以保持必要的穩(wěn)定水平。深空任務(wù)將需要更穩(wěn)定的天基時(shí)鐘。

位于通用原子公司電磁系統(tǒng)軌道試驗(yàn)臺(tái)航天器中間艙的深空原子鐘的一瞥。

由美國(guó)宇航局位于南加州的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室管理，深空原子鐘自2019年6月以來(lái)一直在通用原子公司的軌道試驗(yàn)臺(tái)航天器上運(yùn)行。新的研究報(bào)告稱，任務(wù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了空間長(zhǎng)期原子鐘穩(wěn)定性的新紀(jì)錄，達(dá)到了目前天基原子鐘穩(wěn)定性的10倍以上，包括GPS衛(wèi)星上的原子鐘。

當(dāng)每一納秒都很重要時(shí)

所有的原子鐘都有某種程度的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致時(shí)鐘的時(shí)間與實(shí)際時(shí)間的偏移。如果不加以糾正，這種偏移雖然微不足道，但會(huì)迅速增加，而對(duì)于航天器的導(dǎo)航來(lái)說(shuō)，即使是一個(gè)微小的偏移也會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。

深空原子鐘任務(wù)的關(guān)鍵目標(biāo)之一是測(cè)量時(shí)鐘在越來(lái)越長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的穩(wěn)定性，在新的論文中，該團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一個(gè)穩(wěn)定的水平，導(dǎo)致在超過(guò)20天的運(yùn)行后，時(shí)間偏差小于4納秒。

"一般來(lái)說(shuō)，1納秒的時(shí)間不確定性對(duì)應(yīng)于大約1英尺的距離不確定性，"JPL的任務(wù)原子鐘物理學(xué)家和新論文的共同作者Eric Burt說(shuō)。"一些GPS時(shí)鐘必須每天更新數(shù)次以保持這一水平的穩(wěn)定性，這意味著GPS高度依賴與地面的通信。深空原子鐘將這一時(shí)間推到了一周或更久，從而有可能使像GPS這樣的應(yīng)用獲得更多的自主權(quán)。"

新論文中報(bào)告的穩(wěn)定性和隨后的時(shí)間延遲比該團(tuán)隊(duì)在2020年春季報(bào)告的要好大約五倍。這并不代表時(shí)鐘本身的改進(jìn)，而是團(tuán)隊(duì)對(duì)時(shí)鐘穩(wěn)定性的測(cè)量。更長(zhǎng)的運(yùn)行期和幾乎一整年的額外數(shù)據(jù)使得他們的測(cè)量精度得到了提高。

美國(guó)宇航局的深空原子鐘可以徹底改變深空導(dǎo)航。該技術(shù)演示的一個(gè)關(guān)鍵要求是一個(gè)緊湊的設(shè)計(jì)。這里展示的是完整的硬件包，每邊只有大約10英寸(25厘米)。

深空原子鐘任務(wù)將在8月結(jié)束，但美國(guó)宇航局宣布，這項(xiàng)技術(shù)的工作仍在繼續(xù)：深空原子鐘-2，這個(gè)尖端計(jì)時(shí)器的改進(jìn)版，將在飛往金星的VERITAS(金星輻射率、無(wú)線電科學(xué)、InSAR、地形學(xué)和光譜學(xué)的簡(jiǎn)稱)任務(wù)中飛行。與它的前身一樣，新設(shè)計(jì)的太空原子鐘是一個(gè)技術(shù)演示，意味著它的目標(biāo)是通過(guò)開發(fā)目前不存在的儀器、硬件、軟件或類似的東西來(lái)推進(jìn)太空能力。由JPL建造并由NASA空間技術(shù)任務(wù)局(STMD)資助，用這項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)生的超精確時(shí)鐘信號(hào)可以幫助實(shí)現(xiàn)自主航天器導(dǎo)航，并加強(qiáng)未來(lái)任務(wù)的無(wú)線電科學(xué)觀測(cè)。

深空原子鐘的心臟

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，或稱CAD繪制了時(shí)鐘的線性離子阱--深空原子鐘物理包的 "心臟"--比兩卷并排的硬幣略小。DSAC項(xiàng)目是一個(gè)基于汞離子阱技術(shù)的小型低質(zhì)量原子鐘，將在太空中展示實(shí)力，為下一代深空導(dǎo)航和無(wú)線電科學(xué)提供前所未有的穩(wěn)定性。

"NASA在VERITAS上選擇了深空原子鐘-2，這說(shuō)明了這項(xiàng)技術(shù)的前景，"JPL的深空原子鐘主要研究人員和項(xiàng)目經(jīng)理Todd Ely說(shuō)。"在VERITAS上，我們的目標(biāo)是讓這個(gè)下一代空間時(shí)鐘通過(guò)它的考驗(yàn)，并展示它在深空導(dǎo)航和科學(xué)方面的潛力。"

關(guān)鍵詞： 月球 原子鐘 GPS系統(tǒng) 航天器