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深空原子钟:让航天器自主导航

时间:2019-06-27 03:32来源:网络整理 作者:管理员 点击:

  你想过吗?有朝一日,遨游太阳系可能会像搭乘公共汽车上班一样容易——自动驾驶宇宙飞船运送宇航员穿越深空,类似GPS的定位系统将引导游客在其他行星和卫星表面穿越各种地形。但要实现这些充满未来感的导航计划,航天器和卫星需要配备计时精度极高的时钟,这就是美国国家航空航天局(NASA)的深空原子钟。

  据英国《科学新闻》周刊网站近日报道,一个深空原子钟样本于24日试飞,有望成为有史以来最稳定的太空原子钟。该项目首席研究员、NASA喷气推进实验室的伊尔⋅舒伯特在新闻发布会上说,这种迷你原子钟将安装在未来的宇宙飞船或卫星上,可能“彻底改变我们的航天器在深空的导航方式”。

  新原子钟为何这么靠谱

  据悉,NASA的深空原子钟对每一秒计量的一致程度大约是GPS卫星上原子钟的50倍——也就是每1000万年才会出现1秒钟的偏差,与NASA“深空网络”所使用的地面原子钟的精度相当。地面原子钟利用无线电天线与整个太阳系的航天任务进行通信。但与那些冰箱大小的原子钟不同,烤面包机大小的深空原子钟更小,可以搭载在航天器上。

  新原子钟为何这么可靠呢?该项目研究员、NASA喷气推进实验室的托德⋅埃利解释说,这种新的原子钟利用带电的汞原子或离子来计时,而目前地球GPS卫星上的原子钟则使用中性的铷原子来计时。由于深空原子钟内部的汞原子带有电荷,它们会被困在电场中,因而无法与其容器壁相互作用;相比之下,GPS原子钟内部的这种相互作用会导致铷原子失去节奏。

  GPS卫星时钟需要地球上的指挥中心每天进行两次修正,但新的原子钟更加可靠,不需要频繁修正。埃利说:“如果你有深空原子钟,那么每天两次(修正)可能会变成数周一次,甚至数月一次。”

  从双向中继变单向导航

  那么,深空原子钟最大的作用是什么?研究人员称,主要是帮助航天器实现自主导航。舒伯特说:“今天探索深空的每一台航天器都依赖在地球上进行的导航操作。”

  他解释道,地面天线通过双向中继系统(two-way relay system)向航天器发送信号,然后航天器把信号发射回来。通过测量信号的往返时间,“深空网络”的地面原子钟可以帮助确定航天器的位置。这种导航方法意味着,无论太空探索任务在太阳系中行进至何处,航天器仍然像一只被拴在地球上的风筝,等待来自地球的行进指令,才能继续前行。但是有了深空原子钟,“我们可以过渡到所谓的单向追踪”。宇宙飞船将用其来测量追踪信号从地球抵达飞船所需的时间,而无需将信号发回地面的原子钟进行测量,这将使航天器能够判断自己的轨道。 (责任编辑:admin)

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