校譯：牧夫天文校對(duì)組

編排：王招君 劉瑞寧

NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的深空原子鐘，是一種能改變航天器導(dǎo)航方式的新設(shè)備,。今年6月下旬,，該設(shè)備的新一代技術(shù)演示裝置將搭載在SpaceX的獵鷹重型火箭發(fā)射的軌道試驗(yàn)衛(wèi)星上，這是自主駕駛航天器的關(guān)鍵部件,，也可以作為類似GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于其他領(lǐng)域,。

NASA新的導(dǎo)航方式將幫助航天器自動(dòng)并且安全地到達(dá)像月球和火星這樣的目的地。

目前的導(dǎo)航系統(tǒng)在地面上計(jì)算航天器的位置信息,，再通過雙向中繼系統(tǒng)將其發(fā)送至航天器（通常需要花幾分鐘到幾小時(shí)）,，從而告訴航天器如何運(yùn)動(dòng)。這種導(dǎo)航方法意味著航天器無論飛出多遠(yuǎn),，它仍然被“拴”在地上,，等待著來自地球的命令。

這種限制使得未來載人探測(cè)外星的任務(wù)變得困難重重,。如果航天員在離地球很遠(yuǎn)的地方,，該如何實(shí)時(shí)導(dǎo)航呢？此外,，當(dāng)通信延遲影響他們及時(shí)調(diào)整進(jìn)入大氣的軌道時(shí),，他們?nèi)绾螠?zhǔn)確降落在另一個(gè)星球上呢？

深空原子鐘

NASA的深空原子鐘（與烤面包機(jī)尺寸相近）旨在解決這些問題,。這是第一款體積小并且穩(wěn)定性高的類似GPS的設(shè)備,。這種設(shè)備的技術(shù)演示裝置將于6月下旬，通過SpaceX的獵鷹重型火箭發(fā)射入軌,，并通過一年的時(shí)間驗(yàn)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(yàn)的這一年中進(jìn)展順利，這種像GPS一樣的導(dǎo)航設(shè)備將為未來的單向?qū)Ш戒伷降缆?，它將為宇航員在月球表面的活動(dòng),、火星載人任務(wù)甚至到達(dá)更遠(yuǎn)的地方提供導(dǎo)航,。

該項(xiàng)目的副首席研究員Jill Seubert介紹說：“目前每個(gè)深空探測(cè)器都是由來自地面的導(dǎo)航設(shè)備提供的位置信息進(jìn)行操控的，深空原子鐘將使自主導(dǎo)航和自動(dòng)控制航天器成為可能,?！?/p>

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并不是一件新鮮事。每個(gè)GPS設(shè)備和智能手機(jī)都通過環(huán)繞地球的衛(wèi)星上的原子鐘確定其位置,。GPS接收器通過接收至少三個(gè)太空GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號(hào)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衛(wèi)星上的原子鐘還無法為航天器發(fā)送足夠精確的位置信息，即使不到1秒的中斷也會(huì)導(dǎo)致航天器遠(yuǎn)離目標(biāo)行星數(shù)公里,。

在地球上的航天器導(dǎo)航系統(tǒng)使用巨型天線發(fā)射信號(hào),，并由航天器反射回地球。地球上極精確的原子鐘可以測(cè)量出這段路程的精確距離,，從而得到航天器的距離和速度,，之后，導(dǎo)航才能再將這些信息發(fā)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(shí)間越長(zhǎng),，這座山就越遠(yuǎn)。

這種雙向?qū)Ш降姆绞揭馕吨徽摵教炱黠w多遠(yuǎn),，它都必須等待攜帶命令的信號(hào)跨越行星之間的漫長(zhǎng)距離,。近年來一個(gè)知名的例子是，好奇號(hào)在火星著陸14分鐘后,，人們才得到了它安全著陸的信息,。這個(gè)延遲時(shí)間只是一個(gè)平均時(shí)間，由于地球和火星相對(duì)位置的變化,，單向信息傳遞實(shí)際上需要4到20分鐘,。

對(duì)于深空導(dǎo)航來說，這是一個(gè)緩慢而且費(fèi)力的過程,，讓NASA深空網(wǎng)絡(luò)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(shí)數(shù)萬公里的速度運(yùn)動(dòng)著,，當(dāng)我們得到它的位置信息時(shí),，它就在另一個(gè)地方了。

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更好的導(dǎo)航方式

一個(gè)能夠在航天器上搭載的足夠小并且足夠精確的原子鐘,，將可以解除深空任務(wù)對(duì)雙向?qū)Ш较到y(tǒng)的依賴,。未來的導(dǎo)航設(shè)備從地球發(fā)送信號(hào)到航天器,，航天器上的原子鐘通過測(cè)量信號(hào)到達(dá)所需要的時(shí)間,，就能夠計(jì)算自己的位置和軌跡,，基本上就能為航天器的運(yùn)動(dòng)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(dǎo)航,，將它與光學(xué)導(dǎo)航相結(jié)合,，可以為航天員提供更準(zhǔn)確、更安全的導(dǎo)航方式,?！?/p>

這種單向?qū)Ш竭m用于火星探測(cè)以及更遠(yuǎn)的航天任務(wù)。通過向太空發(fā)射一個(gè)信號(hào),，DSN天線能夠?yàn)槎鄠€(gè)航天器提供信息,。這項(xiàng)新技術(shù)可以提高GPS的準(zhǔn)確性。此外,，搭載深空原子鐘的多個(gè)航天器可以圍繞火星運(yùn)行,，創(chuàng)建一個(gè)類似GPS的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，為火星表面的機(jī)器人和航天員提供位置信息,。

雙向?qū)Ш脚c單向?qū)Ш?/p>

領(lǐng)導(dǎo)離子鐘開發(fā)的Eric Burt說到：“深空原子鐘不僅有助于改善地球上的導(dǎo)航系統(tǒng),，而且能夠在其他星球建立導(dǎo)航系統(tǒng)，這相當(dāng)于在其他星球上擁有和GPS一樣的導(dǎo)航系統(tǒng),?！?/p>

JPL時(shí)鐘物理學(xué)家Burt、RobertTjoelker和John Prestage發(fā)明了這種汞離子鐘,，它在空間中的穩(wěn)定性與地面上冰箱大小的原子鐘一樣,。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明深空原子鐘的精度是GPS時(shí)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(shí)驗(yàn),，我們能夠確定它在地球軌道上是否穩(wěn)定。如果實(shí)驗(yàn)成功,，深空原子鐘將最早于2030年在航天器上應(yīng)用,。自動(dòng)控制的航天器將會(huì)把人類帶到更遠(yuǎn)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(tǒng)公司提供,，并搭載在航天器上,。該項(xiàng)目由美國宇航局太空技術(shù)任務(wù)理事會(huì)的技術(shù)示范任務(wù)計(jì)劃和美國宇航局人類探索和作戰(zhàn)任務(wù)理事會(huì)的空間通信和導(dǎo)航計(jì)劃共同贊助，并由JPL管理,。