2022-09-10 13:53

美国宇航局深空原子钟任务扩展探索未来导航技术

Deep Space Atomic Clock Illustration

深空原子钟可能会改变宇宙飞船在太空中航行的方式。该技术演示的后代可能成为自动驾驶宇宙飞船和在其他世界类似gps导航系统的关键组成部分。图片来源:通用原子电磁系统公司

智能手机应用程序提供了几乎即时的地球导航;深空原子钟可以为未来的机器人和人类探险家做同样的事情。

随着美国宇航局开始将人类送回月球的时间越来越近,载人火星之旅是诱人的下一步。但未来的太空探险家在前往如此遥远的目的地时,将需要新的工具。“深空原子钟”任务正在测试一种新的导航技术,该技术可用于人类和机器人探险家在红色星球和其他深空目的地周围探索。

在不到一年的运行中,该任务已经超过了其首要目标,成为有史以来在太空飞行的最稳定的时钟之一;它现在的稳定性至少是GPS卫星上原子钟的10倍。为了继续测试该系统,美国宇航局将任务延长到2021年8月。该团队将利用额外的任务时间继续提高时钟的稳定性,目标是使其比GPS原子钟稳定50倍。

这个烤箱大小的深空原子钟于2019年6月发射,由位于南加州的美国宇航局喷气推进实验室管理,是一颗商业卫星上的有效载荷。作为一项技术演示,它的目标是通过开发仪器、硬件、软件或目前不存在的类似设备来提高太空能力。这些演示国家航天局的任务还必须表明,新技术可以在太空中可靠地运行。我们的目标是最终看到这些技术融入到全面的任务中。Deep Space Atomic Clock

一项名为“深空原子钟”(Deep Space Atomic Clock)的技术演示可以让遥远的探测器使用与我们在地球上使用的基于gps的导航系统类似的导航系统四处漫游。来源:美国国家航空航天局/姓名

以深空原子钟为例,其目标是使深空导航系统比现有的系统更加自主。所以在月球以外飞行的航天器会有类似于我们在地球上使用的gps系统。为了做到这一点,该任务的重点是时钟的稳定性,即在恶劣的空间环境中运行时,在长时间内持续测量时间的能力。时钟越稳定,它在没有地面上冰箱大小的原子钟帮助的情况下工作的时间就越长。

深空原子钟首席研究员、喷气推进实验室项目经理托德·伊利(Todd Ely)说:“我们对这次任务已经完成的工作感到非常自豪,我们非常兴奋,美国宇航局认为我们继续在这方面工作是值得的。”“这是一个极具挑战性的项目,但我们的动机是,这项技术可以从根本上改变深空导航。”

更好的太空时钟

GPS卫星上的原子钟是你的智能手机导航工具几乎即时工作的原因。你的手机接收到来自几颗卫星的一系列信号(至少四颗卫星需要定位)ning)工作。然后,你手机上的GPS软件会根据这些信号的时间来确定你的位置,以及你移动的速度和方向。GPS卫星上的原子钟确保计时准确。要做到这一点,时钟需要能够精确地测量时间,精确到十亿以内n秒。Deep Space Atomic Clock General Atomics Electromagnetic Systems Orbital Test Bed

在通用原子电磁系统轨道试验台宇宙飞船中间的深空原子钟一瞥。来源:美国国家航空航天局

类似的过程也用于在月球外飞行的航天器:导航器在探测器机器人和地球上的原子钟之间反射信号,以确定航天器的轨道。但由于涉及的距离太远,这个系统也有局限性。例如,从地球到火星的光信号有时需要20分钟,所以导航员不能在最后一刻改变航天器的路径。

此外,地球轨道GPS卫星上的原子钟不够稳定,无法用于在深空航行的航天器的自主导航。随着时间的推移,它们对一秒长度的测量会发生非常微妙的变化,但足以影响导航。事实上,GPS卫星每天或每天两次接收来自更稳定的地面原子钟的更新,以纠正这种漂移,这对于在更遥远目的地的航天器来说是不切实际的。不幸的是,让这些地面时钟飞行也不是一个选择,不仅因为它们太大了,还因为它们不是为在太空中运行而设计的。

进化革命

深空原子钟任务的目的是将地面原子钟的稳定性提高到一个足够小、足够坚固的原子钟,以便在太空中飞行。该团队现在已经证明,时钟在4天后会漂移不到1纳秒,加起来10年后不到百万分之一秒,每1000万年就会漂移整整一秒。这可能看起来很小,但整整一秒的误差就可能导致将航天器的位置计算错数十万英里。

到目前为止,该任务小组已经了解了大量关于他们的新型原子钟设计在太空中如何运行的信息,包括它如何应对不断增加的辐射剂量(在空间的不同点辐射剂量不同),以及如何使远程操作的时钟获得最佳性能。

“从长远来看,这项技术可能是革命性的,”喷气推进实验室深空原子钟的联合研究员罗伯特·乔克尔(Robert Tjoelker)说。“将我们的时钟送入太空并运行良好是重要的第一步。为了更长的寿命和更高的稳定性,我们已经在进行进一步的改进。”

团队成员指出,随着进一步的开发和测试,这项技术可能会在本世纪20年代中期被用于太空导航。

深空原子钟由位于科罗拉多州恩格尔伍德的通用原子电磁系统公司提供的航天器托管。它是由位于阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心的太空技术任务理事会的技术示范任务计划,以及NASA人类探索和操作任务理事会的太空通信和导航(SCaN)计划赞助的。喷气推进实验室管理这个项目。