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深空原子鐘:讓航天器自主導航

中國經濟新聞網 2019-06-27 09:59:47

  你想過嗎?有朝一日,遨游太陽系可能會像搭乘公共汽車上班一樣容易——自動駕駛宇宙飛船運送宇航員穿越深空,類似GPS的定位系統將引導游客在其他行星和衛星表面穿越各種地形。但要實現這些充滿未來感的導航計劃,航天器和衛星需要配備計時精度極高的時鐘,這就是美國國家航空航天局(NASA)的深空原子鐘。
  
  據英國《科學新聞》周刊網站近日報道,一個深空原子鐘樣本于24日試飛,有望成為有史以來最穩定的太空原子鐘。該項目首席研究員、NASA噴氣推進實驗室的伊爾·舒伯特在新聞發布會上說,這種迷你原子鐘將安裝在未來的宇宙飛船或衛星上,可能“徹底改變我們的航天器在深空的導航方式”。
  
  新原子鐘為何這么靠譜
  
  據悉,NASA的深空原子鐘對每一秒計量的一致程度大約是GPS衛星上原子鐘的50倍——也就是每1000萬年才會出現1秒鐘的偏差,與NASA“深空網絡”所使用的地面原子鐘的精度相當。地面原子鐘利用無線電天線與整個太陽系的航天任務進行通信。但與那些冰箱大小的原子鐘不同,烤面包機大小的深空原子鐘更小,可以搭載在航天器上。
  
  新原子鐘為何這么可靠呢?該項目研究員、NASA噴氣推進實驗室的托德·埃利解釋說,這種新的原子鐘利用帶電的汞原子或離子來計時,而目前地球GPS衛星上的原子鐘則使用中性的銣原子來計時。由于深空原子鐘內部的汞原子帶有電荷,它們會被困在電場中,因而無法與其容器壁相互作用;相比之下,GPS原子鐘內部的這種相互作用會導致銣原子失去節奏。
  
  GPS衛星時鐘需要地球上的指揮中心每天進行兩次修正,但新的原子鐘更加可靠,不需要頻繁修正。埃利說:“如果你有深空原子鐘,那么每天兩次(修正)可能會變成數周一次,甚至數月一次。”
  
  從雙向中繼變單向導航
  
  那么,深空原子鐘最大的作用是什么?研究人員稱,主要是幫助航天器實現自主導航。舒伯特說:“今天探索深空的每一臺航天器都依賴在地球上進行的導航操作。”
  
  他解釋道,地面天線通過雙向中繼系統(two-wayrelaysystem)向航天器發送信號,然后航天器把信號發射回來。通過測量信號的往返時間,“深空網絡”的地面原子鐘可以幫助確定航天器的位置。這種導航方法意味著,無論太空探索任務在太陽系中行進至何處,航天器仍然像一只被拴在地球上的風箏,等待來自地球的行進指令,才能繼續前行。但是有了深空原子鐘,“我們可以過渡到所謂的單向追蹤”。宇宙飛船將用其來測量追蹤信號從地球抵達飛船所需的時間,而無需將信號發回地面的原子鐘進行測量,這將使航天器能夠判斷自己的軌道。
  
  能自我定位、自主導航的航天器可以使宇航員在不需要接收地球指令的情況下,自行穿越太陽系。埃利說:“在火星這樣的地方,(追蹤信號)往返時間為8—40分鐘;在木星,可能是一個半小時;而在土星,則是兩個半小時。”
  
  由于飛行器能自我定位,宇航員可以更加靈活地開展行動,更及時地對意外情況作出反應。
  
  在其他星球上,探測器可利用其攜帶的深空原子鐘來廣播帶有精確時間標記的信號,任何GPS地面接收器都可以利用這些信號,通過三角測量法確定它的位置。另外,攜帶深空原子鐘的多個航天器可以圍繞火星運行,創建出一個類似GPS的網絡,為火星上的探測車和宇航員指示方向。
  
  進行為期一年的測試
  
  這個原子鐘樣本從NASA位于美國佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪航天中心發射。研究人員將對其在近地軌道的表現進行為期一年的監測,以測試這臺原子鐘在太空中的穩定性及其一整年的運行情況。埃利說:“我們的目標是每天誤差為2納秒左右,或者不到2納秒。”
  
  舒伯特表示,如果深空原子鐘在太空中試驗的這一年進展順利,那么它最早在本世紀30年代就可以開始執行任務,能為未來的單向導航打好基礎。宇航員將可以用其在月球表面進行導航,也可以安全地自主執行任務,前往火星以及更遠的深空。減少與地球之間的通信——這將是航天器目前航行方式的巨大改進。
  
  (科技日報北京6月25日電)

來源:科技日報 編輯: 王潔       
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