深空原子钟将改进GPS,提高航天器的自主性

深空原子钟插图

自2019年6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。这张插图显示了在地球轨道上的宇宙飞船。来源:通用原子电磁系统公司

该技术示范旨在提高机器人探险家的导航和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地面站的通信来确定它们的位置和目的地。NASA的“深空原子钟”正在努力让这些遥远的探险家在导航时拥有更多自主权。在2021年6月30日发表于该杂志的一篇新论文中自然,特派团报告了他们工作的进展,以提高空间的原子钟衡量时间长期衡量时间的能力。

称为稳定性,此功能也影响了GPS卫星的操作,帮助人们在地球上导航,因此这项工作也有可能增加下一代GPS航天器的自主权。

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为了计算遥远的航天器的轨迹,工程师将信号从航天器发送到地球和背部。它们在地面上使用冰箱尺寸的原子钟来记录这些信号的定时,这对于精确地测量航天器的位置至关重要。但对于火星或更远目的地的机器人来说,等待信号使旅行可以快速加入到几十分钟甚至几小时。

如果这些航天器携带原子钟,它们就可以计算出自己的位置和方向,但这些时钟必须非常稳定。GPS卫星携带原子钟来帮助我们到达地球上的目的地,但这些原子钟需要每天更新几次,以保持必要的稳定水平。深空任务需要更稳定的太空时钟。

深空原子钟一般原子电磁系统轨道试验床

在通用原子电磁系统轨道试验台宇宙飞船的中间海湾的深空原子钟一瞥。来源:美国国家航空航天局

Managed by NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Southern California, the Deep Space Atomic Clock has been operating aboard General Atomic’s Orbital Test Bed spacecraft since June 2019. The new study reports that the mission team has set a new record for long-term atomic clock stability in space, reaching more than 10 times the stability of current space-based atomic clocks, including those on GPS satellites.

当每个纳秒计数时

所有原子钟都具有一定程度的不稳定性,导致时钟时间与实际时间的偏移量。如果没有纠正,偏移量,而Minuscule,迅速增加,并且与航天器导航,即使是一个微小的偏移可能会产生剧烈效果。

深度空间原子钟任务的一个关键目标之一是测量时钟的稳定性超过较长且较长的时期,看看它如何随时间变化。在新论文中,该团队报告了一定程度的稳定性,在运行超过20天后导致少于四个纳秒的时间偏差。

“作为一般规则,一个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的任务和新论文共同作者的原子钟物理学家说。“一些GPS时钟必须每天更新几次以保持这种稳定性水平,这意味着GPS高度依赖于与地面的沟通。深度空间原子钟将其推迟到一周或更长时间,因此可能会像GPS一样提供更多自主权。“

在新论文中报道的稳定性和随后的时间延迟比研究小组报告的大约好5倍报道于2020年春天.这并不代表时钟本身的改进,而是在团队的时钟稳定性的测量中。运行期更长,几乎全年的额外数据使得可以提高其测量的精度。

美国宇航局的深空原子钟

美国宇航局的深空原子钟可能会给深空导航带来革命性的变化。技术演示的一个关键要求是紧凑的设计。这里显示的是完整的硬件包装,每边只有大约10英寸(25厘米)。来源:美国国家航空航天局/姓名

深空原子钟任务将于8月结束,但是美国宇航局宣布这项技术的工作持续存在:深度空间原子钟-2,改进的尖端计时箱版本,将在Veritas(金星发射率,无线电科学,insar,地形,地形和光谱学)中飞行到金星。像它的前任一样,新的空间时钟是一种技术演示,其目标是通过开发目前不存在的乐器,硬件,软件等来提前空间功能。由JPL建造并由NASA的太空技术任务任务(STMD)提供资金,通过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,并加强对未来任务的无线电科学观察。

深空原子钟心脏

这个时钟是深空原子钟物理包的“心脏”,它的线性离子阱的计算机辅助设计(CAD)图略小于并排放置的两卷硬币。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。来源:美国航天局/喷气推进实验室

“NASA在VERITAS上选择深空原子钟-2证明了这项技术的承诺,”喷气推进实验室深空原子钟首席研究员和项目经理托德·伊利说。“在VERITAS上,我们的目标是让这款下一代太空钟展现其速度,并展示其在深空导航和科学方面的潜力。”

参考文献:“空间中捕获离子原子钟的演示”,作者E. a . Burt、J. D. Prestage、R. L. Tjoelker、D. G. Enzer、D. Kuang、D. W. Murphy、D. E. Robison、J. M. Seubert、R. T. Wang和T. a . Ely, 2021年6月30日,自然
DOI:10.1038 / S41586-021-03571-7

更多关于使命

深空原子钟由科罗拉多州恩格尔伍德的通用原子电磁系统公司提供的一艘航天器承载。它是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技术演示任务计划和美国宇航局人类探索和操作任务理事会的太空通信和导航(SCaN)计划赞助的。JPL管理这个项目。

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