自 2019 年 XNUMX 月以来，美国宇航局的深空原子钟一直在通用原子轨道试验台卫星上运行。该图显示了地球轨道上的航天器。 学分：通用原子电磁系统
该技术演示旨在改善机器人探险者的导航和 GPS 卫星的运行，报告了一个重要的里程碑。
在月球之外冒险的航天器依靠与地球上的地面站的通信来确定它们在哪里以及它们要去哪里。 美国宇航局的深空原子钟正在努力为那些遥远的探险者提供更多的导航自主权。 在 30 年 2021 月 XNUMX 日发表在期刊上的一篇新论文中 自然，该任务报告了他们在提高天基原子钟长时间一致测量时间的能力方面的工作进展。
这种被称为稳定性的特性也影响了帮助人们在地球上导航的 GPS 卫星的运行，因此这项工作也有可能增加下一代 GPS 航天器的自主性。
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为了计算遥远航天器的轨迹，工程师将信号从航天器发送到地球并返回。 他们在地面上使用冰箱大小的原子钟来记录这些信号的时间，这对于精确测量航天器的位置至关重要。 但对于火星或更远的目的地上的机器人来说，等待信号出发的时间很快就会增加数十分钟甚至数小时。
如果这些航天器携带原子钟，它们可以计算自己的位置和方向，但时钟必须高度稳定。 GPS 卫星携带原子钟来帮助我们到达地球上的目的地，但这些时钟需要每天更新几次以保持必要的稳定性水平。 深空任务将需要更稳定的天基时钟。
通用原子电磁系统轨道试验台航天器中舱的深空原子钟一瞥。 信用：美国国家航空航天局
由美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室管理的深空原子钟自 2019 年 10 月以来一直在通用原子公司的轨道试验台航天器上运行。新研究报告称，该任务团队在空间，达到当前天基原子钟（包括 GPS 卫星上的原子钟）稳定性的 XNUMX 倍以上。
当每一纳秒都很重要
所有原子钟都有一定程度的不稳定性，这会导致时钟时间与实际时间发生偏差。 如果不加以纠正，偏移量虽然很小，但会迅速增加，并且随着航天器的导航，即使是微小的偏移量也会产生巨大的影响。
深空原子钟任务的主要目标之一是测量时钟在越来越长的周期内的稳定性，以了解它如何随时间变化。 在新论文中，该团队报告了在运行 20 多天后导致时间偏差小于 XNUMX 纳秒的稳定性水平。
“作为一般规则，一纳秒的时间不确定性对应于大约一英尺的距离不确定性，”JPL 任务的原子钟物理学家、新论文的合著者 Eric Burt 说。 “一些 GPS 时钟必须每天更新几次才能保持这种水平的稳定性，这意味着 GPS 高度依赖与地面的通信。 深空原子钟将其推迟到一周或更长时间，从而可能为 GPS 等应用程序提供更多自主权。”
新论文中报告的稳定性和随后的时间延迟大约是团队在 2020 年春季报告的五倍。这并不代表时钟本身的改进，而是团队对时钟稳定性的测量。 更长的运行周期和几乎一整年的额外数据使得提高测量精度成为可能。
美国宇航局的深空原子钟可以彻底改变深空导航。 技术演示的一个关键要求是紧凑的设计。 此处显示了完整的硬件包，每边仅约 10 英寸（25 厘米）。 图片来源：NASA/JPL-Caltech
深空原子钟任务将于 2 月结束，但美国宇航局宣布这项技术的工作仍在继续：深空原子钟 XNUMX，尖端计时器的改进版本，将在 VERITAS（金星发射率的缩写，无线电科学、InSAR、地形学和光谱学）对金星的任务。 与其前身一样，新的太空时钟是一种技术演示，这意味着它的目标是通过开发目前不存在的仪器、硬件、软件等来提高太空能力。 由 JPL 建造并由 NASA 空间技术任务理事会 (STMD) 资助，使用该技术产生的超精确时钟信号可以帮助实现自主航天器导航并增强对未来任务的无线电科学观测。
时钟的线性离子阱（深空原子钟物理包的“心脏”）的计算机辅助设计或 CAD 绘图比并排放置的两卷硬币略小。 DSAC 项目是一个基于汞离子阱技术的小型低质量原子钟，将在太空中进行演示，为下一代深空导航和无线电科学提供前所未有的稳定性。 图片来源：NASA/JPL
“NASA 在 VERITAS 上选择深空原子钟 2 表明了这项技术的前景，”JPL 深空原子钟首席研究员兼项目经理 Todd Ely 说。 “在 VERITAS 上，我们的目标是让这款下一代太空时钟步入正轨，并展示其在深空导航和科学方面的潜力。”
参考：EA Burt、JD Prestage、RL Tjoelker、DG Enzer、D. Kuang、DW Murphy、DE Robison、JM Seubert、RT Wang 和 TA Ely 撰写的“太空中捕获离子原子钟的演示”，30 年 2021 月 XNUMX 日， 自然.
DOI: 10.1038/s41586-021-03571-7
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深空原子钟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上。 它由位于阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行中心的 STMD 技术示范任务计划以及美国宇航局人类探索和运营任务理事会内的美国宇航局空间通信和导航 (SCaN) 计划赞助。 JPL 管理该项目。
