深空原子钟正改善GPS系统 提高航天器自主性

在我们的月球之外冒险的航天器依靠与地球上的地面站的通信来弄清他们在哪里以及他们要去哪里。美国宇航局的深空原子钟正在努力让这些远方的探索者在导航时有更多的自主权。在2021年6月30日发表在《自然》杂志上的一篇新论文中，该任务报告了他们在提高天基原子钟长期持续测量时间的能力方面的工作进展。

这项功能可提高整套系统的稳定性，也影响到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提高下一代GPS航天器的自主性。

为了计算一个遥远的航天器的轨迹，工程师们将信号从航天器发送至地球并返回。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。但是对于火星或更遥远的目的地的机器人来说，等待信号的旅程可能很快就会增加到数十分钟甚至数小时。

如果这些航天器携带原子钟，它们可以计算出自己的位置和方向，但这些钟必须高度稳定。GPS卫星携带原子钟，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，以保持必要的稳定水平。深空任务将需要更稳定的天基时钟。

位于通用原子公司电磁系统轨道试验台航天器中间舱的深空原子钟的一瞥。

由美国宇航局位于南加州的喷气推进实验室管理，深空原子钟自2019年6月以来一直在通用原子公司的轨道试验台航天器上运行。新的研究报告称，任务团队创造了空间长期原子钟稳定性的新纪录，达到了目前天基原子钟稳定性的10倍以上，包括GPS卫星上的原子钟。

当每一纳秒都很重要时

所有的原子钟都有某种程度的不稳定性，导致时钟的时间与实际时间的偏移。如果不加以纠正，这种偏移虽然微不足道，但会迅速增加，而对于航天器的导航来说，即使是一个微小的偏移也会产生巨大的影响。

深空原子钟任务的关键目标之一是测量时钟在越来越长时期内的稳定性，在新的论文中，该团队报告了一个稳定的水平，导致在超过20天的运行后，时间偏差小于4纳秒。

“一般来说，1纳秒的时间不确定性对应于大约1英尺的距离不确定性，“JPL的任务原子钟物理学家和新论文的共同作者Eric Burt说。“一些GPS时钟必须每天更新数次以保持这一水平的稳定性，这意味着GPS高度依赖与地面的通信。深空原子钟将这一时间推到了一周或更久，从而有可能使像GPS这样的应用获得更多的自主权。”

新论文中报告的稳定性和随后的时间延迟比该团队在2020年春季报告的要好大约五倍。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。更长的运行期和几乎一整年的额外数据使得他们的测量精度得到了提高。

美国宇航局的深空原子钟可以彻底改变深空导航。该技术演示的一个关键要求是一个紧凑的设计。这里展示的是完整的硬件包，每边只有大约10英寸（25厘米）。

深空原子钟任务将在8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-2，这个尖端计时器的改进版，将在飞往金星的VERITAS（金星辐射率、无线电科学、InSAR、地形学和光谱学的简称）任务中飞行。与它的前身一样，新设计的太空原子钟是一个技术演示，意味着它的目标是通过开发目前不存在的仪器、硬件、软件或类似的东西来推进太空能力。由JPL建造并由NASA空间技术任务局（STMD）资助，用这项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，并加强未来任务的无线电科学观测。

深空原子钟的心脏

计算机辅助设计，或称CAD绘制了时钟的线性离子阱--深空原子钟物理包的 “心脏”--比两卷并排的硬币略小。DSAC项目是一个基于汞离子阱技术的小型低质量原子钟，将在太空中展示实力，为下一代深空导航和无线电科学提供前所未有的稳定性。

“NASA在VERITAS上选择了深空原子钟-2，这说明了这项技术的前景，“JPL的深空原子钟主要研究人员和项目经理Todd Ely说。“在VERITAS上，我们的目标是让这个下一代空间时钟通过它的考验，并展示它在深空导航和科学方面的潜力。”