Deep Space Atomic Clock,为宇宙飞船导航的深空原子钟

最后编辑于 2019年06月06日 科技

地球上的物体可以依靠卫星导航系统进行导航,但在太阳系中、甚至银河系中,宇宙飞船靠什么来导航?

在太阳系中,依然是依靠地球这个信号发射基地来解决导航的问题,而这个方案中最关键的就是深空原子钟(Deep Space Atomic Clock)。理想情况下宇宙飞船无需将信号发送回地球,宇宙飞船上的深空原子钟将允许它从地球接收信号并立即使用机载导航系统确定其位置。

Deep Space Atomic Clock:

Image credit: NASA/JPL-Caltech

不理想的情况,也就是现在的情况,航天器都是通过和地球上的巨型天线进行双向信号发射,依靠地球上的原子钟测量信号进行双向旅程所需的时间,然后告诉航天器它现在在哪里以及去哪里。

至于银河系,不知道现在的导航办法是否可行,不过即使行现在也飞不出去。

NASA将于太平洋时间2019年6月22日晚上8:30(美国东部时间晚上11:30),在佛罗里达州的肯尼迪航天中心用SpaceX猎鹰重型火箭发射携带深空原子钟的轨道试验卫星。该深空原子钟将在地球轨道上进行为期一年的测试,目标是为未来的航天器在深空中自主导航做准备。

在了解深空原子钟之前,我们先了解一下卫星导航和原子钟。

我们每天使用的地图导航功能,必须依赖于围绕地球同步运转的卫星导航系统。目前卫星导航系统主要有美国的GPS、中国的北斗系统BDSS、欧洲的伽利略Galileo、俄罗斯的格洛纳斯GLONASS,以及区域性的日本QZSS和印度IRNSS。

相对于地心来说,卫星自己的坐标保持不变。根据卫星自己的坐标(一般是4颗卫星),以及卫星信号接收机和卫星之间的距离,就可以计算出接收机的位置并进行导航。

其中最关键是如何计算接收机和卫星的距离。这就用到了时间这个参数。卫星信号传输速度确定,那么根据时间差就可以算出距离。十亿分之一秒,也就是1纳秒,将会使卫星导航产生0.3米的距离误差。因此时间越精准,距离就越精准,定位就越精准。而要做到时间精准,只有原子钟,目前卫星中普遍使用的是氢、铷、铯原子钟。

但是,原子钟和深空原子钟是不同的。

原子钟使用特定原子释放的光的频率来测量1秒的时间,这在整个宇宙中都是相同的。这次发射的深空原子钟,使用的是汞离子(mercury ion),并用内部设备控制汞离子使其不易受外力影响,比如会影响测量精度的外部磁场和温度。

在地面测试中,深空原子钟的稳定性比GPS卫星上的原子钟高50倍,在900万年中仅损失1秒,可谓非常精确。而只有足够精确才能进行宇宙飞行导航,比如控制飞行器在行星上的降落,一点点的时间差错就会导致失败。

NASA的文章:
Five Things to Know about NASA's Deep Space Atomic Clock

深空原子钟发射直播地址:
https://www.nasa.gov/live

更多关于深空原子钟:
https://www.nasa.gov/mission_pages/tdm/clock/index.html

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