深空原子鐘的漫畫圖像，這是NASA測試的一項(xiàng)新技術(shù)，它將改變?nèi)祟愒谔栂抵袑?dǎo)航的方式。這個(gè)精確的“計(jì)時(shí)器”定于6月下旬搭載SpaceX公司的獵鷹重型火箭，從佛羅里達(dá)州發(fā)射升空。
版權(quán)：NASA / JPL-Caltech
美國航空航天局（NASA）的導(dǎo)航研究員正在努力規(guī)劃一個(gè)藍(lán)圖，讓航天器可以自主而安全地飛向月球和火星等目的地。
現(xiàn)階段，導(dǎo)航員只能在地球上計(jì)算航天器的位置，然后將位置數(shù)據(jù)通過雙向中繼系統(tǒng)（two-way relay system）發(fā)送到太空之中，以此來告訴航天器應(yīng)該去哪里，而雙向中繼系統(tǒng)可能需要幾分鐘到幾小時(shí)的時(shí)間來傳送方向。這種導(dǎo)航方法意味著，無論太空探索任務(wù)在太陽系中行進(jìn)至何處，我們的航天器仍然像一只被拴在地球上的風(fēng)箏，等待來自地球的行進(jìn)指令。
在未來，對人類登陸另一個(gè)星球的任務(wù)來說，這種限制是一個(gè)明顯的掣肘。如果航天器上的宇航員無法即時(shí)控制前進(jìn)的位置和方向，他們?nèi)绾文軌蝽樌貜牡厍蜻h(yuǎn)航呢？當(dāng)通信延遲影響到他們調(diào)整進(jìn)入星球大氣軌道的速度時(shí)，他們又如何能夠準(zhǔn)確地降落在另一個(gè)星球上？
NASA的深空原子鐘（Deep Space Atomic Clock）設(shè)備只有一臺烤面包機(jī)那么大，它將為我們解決這些問題。這是第一款體積小、類似全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）的儀器，在航天器上飛行時(shí)穩(wěn)定性足夠強(qiáng)。這次的技術(shù)演示能讓航天器知道自己的位置，而無需依賴來自地球的數(shù)據(jù)。6月下旬，SpaceX的獵鷹重型火箭（Falcon Heavy rocket）會將深空原子鐘發(fā)射到地球軌道上，并在該軌道上待滿一年的時(shí)間，測試它是否能夠幫助航天器在太空中進(jìn)行定位。
如果深空原子鐘在太空中試驗(yàn)的這一年進(jìn)展順利，那么它就能為未來的單向?qū)Ш酱蚝没A(chǔ)。利用單向?qū)Ш?，宇航員可以通過一種類似GPS的系統(tǒng)在月球表面上進(jìn)行導(dǎo)航，也可以安全地自主執(zhí)行任務(wù)，前往火星以及更遠(yuǎn)的太空位置。
“每一個(gè)探索深空的航天器都由地球上的導(dǎo)航員引導(dǎo)。通過啟用機(jī)載自主導(dǎo)航，或自動駕駛航天器，深空原子鐘將改變這一狀況?！备笔紫芯繂T吉爾·舒伯特（Jill Seubert）說道。
深空之中并不存在GPS
其實(shí)，太空中的原子鐘并不是什么新鮮事物，我們所用的每個(gè)內(nèi)置GPS的設(shè)備，例如智能手機(jī)，都是通過環(huán)繞地球的多顆衛(wèi)星上的原子鐘來確定位置的。已知位置的衛(wèi)星從太空向地球發(fā)送信號，接收器通過測量信號到達(dá)GPS的時(shí)間長短來三角測量我們的具體位置。
深空原子鐘是NASA JPL的一項(xiàng)新技術(shù)，或許能會改變飛船和探測器在太空中的導(dǎo)航方式。6月下旬，美國太空探索技術(shù)公司SpaceX獵鷹重型火箭將發(fā)射軌道試驗(yàn)床衛(wèi)星（Orbital Test Bed satellite），對于地球之外其他世界里的自動駕駛航天器和類似GPS的導(dǎo)航系統(tǒng)，這種后續(xù)的技術(shù)演示可能是關(guān)鍵組成部分。
版權(quán)：通用原子能電磁系統(tǒng)公司
但是現(xiàn)階段，飛到地球軌道之外的航天器則沒有GPS給它們在太空中導(dǎo)航。對于行駛在太空中的航天器來說，GPS衛(wèi)星上原子鐘的精確度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，無法發(fā)送正確的方向指令，即使信號只滯后或者消失了不到一秒的時(shí)間，也可能意味著離登陸一顆行星差了好幾公里。
因此，現(xiàn)在采用的方法就是讓導(dǎo)航員用地球上的巨型天線向航天器發(fā)送信號，然后信號由航天器反彈回到地球。地面上精確度極高的時(shí)鐘可以測量信號進(jìn)行雙向旅程所需的時(shí)間，告訴導(dǎo)航員飛船距離地球有多遠(yuǎn)、飛行速度有多快。只有這樣，導(dǎo)航員才能進(jìn)一步向航天器發(fā)送指示，告訴它接下來該怎么走。
“這與回聲的概念如出一轍，” 舒伯特說，“如果我站在一座山前，大聲喊叫，回聲傳回我耳邊的時(shí)間越長，就意味著這座山越遠(yuǎn)?！?/p>
雙向?qū)Ш剑╰wo-way navigation）意味著：無論太空探索任務(wù)行進(jìn)到多遠(yuǎn)的地方，它都必須等待攜帶命令的信號翻山越嶺傳回航天器，跨越行星之間難以想象的巨大距離。這樣的過程聽起來并不陌生，這還的多謝好奇號（Curiosity）這樣的火星登陸任務(wù)，世界曾等待了長達(dá)14分鐘的任務(wù)控制，讓好奇號火星車向地球發(fā)出它安全登陸火星的信息。14分鐘的延遲是一個(gè)平均等待時(shí)間：根據(jù)地球和火星在各自軌道上的位置不同，單向信號可能需要4到20分鐘用于在行星之間傳播。
這種導(dǎo)航方式讓航天器在深空中的行進(jìn)緩慢而費(fèi)力，它讓NASA深空網(wǎng)絡(luò)（Deep Space Network，DSN）的巨型天線繁忙不堪，仿佛通話高峰時(shí)的電話線路。在這種信號交換中，一架以每小時(shí)數(shù)萬英里的速度飛行的航天器在“知道”它的位置時(shí)，可能已經(jīng)處于一個(gè)完全不同的地方。
更好的太空導(dǎo)航方式
如果有一個(gè)足夠小又足夠精確的原子鐘，能夠?yàn)楹教炱魈峁?zhǔn)確的導(dǎo)航指示，那這種雙向系統(tǒng)的需求就會不復(fù)存在。未來的導(dǎo)航員將可以直接從地球發(fā)送信號到航天器，就像在地球軌道上的導(dǎo)航衛(wèi)星一樣，航天器上的深空原子鐘將測量來自地球的信號到達(dá)它所需的時(shí)間，然后，航天器就可以計(jì)算自己的位置和軌跡，自己給自己指示方向。
深空原子鐘的首席研究員托德·埃利（Todd Ely）表示：“太空船如果能擁有一個(gè)原子鐘，我們就可以實(shí)現(xiàn)‘船載’無線電導(dǎo)航，當(dāng)與光學(xué)導(dǎo)航（optical navigation）結(jié)合使用時(shí)，就能為宇航員提供更準(zhǔn)確、更安全的導(dǎo)航方式?！?/p>
這種單向?qū)Ш较到y(tǒng)適用于火星和更遠(yuǎn)的宇宙探索目的地。通過向空間廣播一個(gè)信號，DSN的巨型天線將能夠一次性與多個(gè)任務(wù)進(jìn)行通信，這項(xiàng)新技術(shù)也能夠提高地球上GPS的準(zhǔn)確性。具有深空原子鐘的多個(gè)航天器可以圍繞火星運(yùn)行，創(chuàng)建出一個(gè)類似GPS的網(wǎng)絡(luò)，為火星上的探測車和人類提供方向指示。
“深空原子鐘將有助于導(dǎo)航，這種幫助不局限于地球，在其他星球上也是如此。不妨可以想象成我們在其他星球上也有GPS一樣?！鳖I(lǐng)導(dǎo)研發(fā)離子鐘（ion clock）的埃里克·伯特（Eric Burt）說道。
伯特和噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 （Jet Propulsion Laboratory，JPL）的時(shí)鐘物理學(xué)家同事羅伯特·朱爾克（Robert Tjoelker）和約翰·普雷斯塔基（John Prestage）創(chuàng)造了一種汞離子鐘，它在太空中的穩(wěn)定性與地球上冰箱大小的原子鐘一樣。在實(shí)驗(yàn)室測試中，深空原子鐘被證明比GPS時(shí)鐘要精確50倍，也就是每1000萬年才會出現(xiàn)1秒鐘的偏差。
深空原子鐘在太空中的技術(shù)演示至關(guān)重要，將決定它是否能在軌道上保持穩(wěn)定。如果它能表現(xiàn)良好的穩(wěn)定性，那么最早在21世紀(jì)30年代深空原子鐘就可以開始執(zhí)行任務(wù)。作為自動駕駛航天器的第一步，有朝一日深空原子鐘或許能將人類運(yùn)送到太空中其他的世界。
深空原子鐘位于科羅拉多州恩格爾伍德，裝載于通用美國通用原子能電磁系統(tǒng)公司（General Atomics Electromagnetic Systems）提供的航天器上，由NASA太空技術(shù)任務(wù)理事會（Space Technology Mission Directorate）的技術(shù)示范任務(wù)計(jì)劃（Technology Demonstration Missions program）和NASA人類探索和作戰(zhàn)任務(wù)理事會（Human Exploration and Operations Mission Directorate）的空間通信和導(dǎo)航計(jì)劃（Space Communications and Navigations program）贊助，由JPL管理該項(xiàng)目。
關(guān)于NASA深空原子鐘你需要知道的五件事：https://www.nasa.gov/feature/jpl/five-things-to-know-about-nasas-deep-space-atomic-clock
了解SpaceX獵鷹重型火箭（Falcon Heavy）發(fā)射中的其他NASA任務(wù)（包括深空原子鐘），請見：https://www.nasa.gov/spacex
參考：
https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7427
https://www.space.com/falcon-heavy-nasa-testing-clean-fuel-stp2.html
