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美国国家航空航天局的导航研究人员正在努力为航天器自主安全地飞往月球和火星等目的地制定蓝图。
目前，导航器只能计算出航天器在地球上的位置，然后通过双向中继系统将位置数据发送到太空，告诉航天器要去哪里，双向中继系统可能需要几分钟到几个小时才能传输方向。这种导航方式意味着，无论太空探索任务行进到太阳系的哪个地方，我们的航天器仍然像一只拴在地球上的风筝，等待着地球的行进指令。
在未来，这种限制对于人类登陆另一个星球的任务将是一种明显的约束。如果飞船上的宇航员不能实时控制前进的位置和方向，如何顺利从地球启航？在通信延迟影响他们调整轨道进入星球大气层的速度的情况下，他们如何准确降落在另一个星球上？
美国国家航空航天局的深空原子钟装置只有烤面包机大小，它将为我们解决这些问题。这是第一个很小的类似全球定位系统(GPS)的仪器，在航天器上飞行时足够稳定。这种技术演示可以让航天器知道自己的位置，而不依赖于来自地球的数据。6月下旬，太空探索技术公司的猎鹰重型火箭将把深空原子钟发射到地球轨道，并在轨道上停留一年，以测试它是否能帮助航天器在太空中定位。
如果深空原子钟在太空测试的那一年顺利，将为未来的单向航行打下良好的基础。使用单向导航，宇航员可以通过类似GPS的系统在月球表面导航，他们也可以安全地执行自己的任务，前往火星和更远的地方。
“每一艘探索深空的飞船都由地球上的导航员引导。深空原子钟将通过启用机载自主导航或自动驾驶航天器来改变这种情况。”副首席研究员吉尔？吉尔·瑟伯特说。
深空没有GPS。
事实上，太空中的原子钟并不是什么新鲜事。每一个内置GPS的设备，比如智能手机，我们都用地球上很多卫星上的原子钟来确定位置。已知位置的卫星从太空向地球发送信号，接收器通过测量信号到达GPS所需的时间来三角测量我们的具体位置。
深空原子钟是美国国家航空航天局JPL公司的一项新技术，它可能会改变航天器和探测器在太空中的导航模式。6月下旬，美国太空探索技术公司太空探索技术公司猎鹰重型火箭将发射一颗轨道试验台卫星。对于地球以外其他世界的自主航天器和类似GPS的导航系统来说，这种后续的技术演示可能是一个关键的组成部分。
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但目前，飞出地球轨道的航天器没有GPS供它们在太空中导航。对于在太空中旅行的航天器来说，GPS卫星上的原子钟的精度远远不足以发送正确的方向指令。即使信号只滞后或消失不到一秒钟，也可能意味着距离降落在某个星球上还有几公里。
所以现在的方法是让导航仪用地球上的巨型天线向飞船发射信号，然后信号从飞船上反弹回地球。地面上精度很高的时钟可以测出信号双向往返所需的时间，告诉导航员飞船离地球有多远，飞得有多快。只有这样，导航员才能向飞船发出进一步的指令，告诉它下一步该怎么走。
“这和回声的概念一模一样，”舒伯特说。“如果我站在一座山前大声呼喊，回声传到我耳朵里的时间越长，山就越远。”
双向导航意味着无论太空探索任务行进多远，都必须等待携带指令的信号穿越崇山峻岭返回飞船，跨越行星间难以想象的距离。这个过程听起来很熟悉。由于像好奇号这样的火星着陆任务，世界已经等待了14分钟的任务控制，以便好奇号火星车可以向地球发送安全着陆火星的消息。14分钟的延迟是一个平均等待时间:取决于地球和火星在各自轨道上的位置，一个单向信号可能需要4到20分钟才能在行星之间传播。
这种导航方式让飞船在深空中缓慢而费力地行进，也让美国国家航空航天局深空网(DSN)的巨型天线忙得不可开交，就像通话高峰期的电话线一样。在这种信号交换中，时速上万英里的航天器在“知道”自己的位置时，可能处于完全不同的地方。
更好的太空航行方式
如果有一个足够小，足够精确的原子钟，可以为航天器提供精确的导航指令，那么这种双向系统的需求将不复存在。未来的导航器将能够直接从地球向航天器发送信号，就像地球轨道上的导航卫星一样。飞船上的深空原子钟将测量来自地球的信号到达它所需的时间。然后，航天器可以计算其位置和轨迹，并给自己指明方向。
深空原子钟首席研究员托德？托德·埃利(Todd Ely)说:“如果飞船能有一个原子钟，我们就能实现‘机载’无线电导航。当与光学导航结合时，它可以为宇航员提供更准确、更安全的导航方法。”
这种单向导航系统适用于火星和更远的太空探索目的地。通过向太空广播一个信号，DSN的巨型天线将能够同时与多个任务进行通信，这项新技术还可以提高地球上GPS的精度。多个装有深空原子钟的航天器可以围绕火星运行，创建一个类似GPS的网络，为火星车和火星上的人类提供方向指示。
“深空原子钟将有助于导航，导航不仅限于地球，其他星球也有。想象一下，我们在其他星球上也有GPS。”谁领导了离子钟的发展？埃里克·伯特说。
伯特和他的同事罗伯特，喷气推进实验室(JPL)的时钟物理学家？祖尔克和约翰？约翰·普雷斯蒂奇(John Prestage)创造了一个汞离子钟，它在太空中的稳定性就像地球上冰箱大小的原子钟一样。在实验室测试中，深空原子钟已被证明比GPS钟精确50倍，即1秒的偏差每10万年才出现一次。
深空原子钟在太空的技术论证非常重要，这将决定它能否在轨保持稳定。如果能够表现出良好的稳定性，那么深空原子钟最早可以在265438+30年代开始执行任务。作为自动驾驶飞船的第一步，深空原子钟或许有一天能够将人类运送到太空中的其他世界。
深空原子钟位于科罗拉多州恩格尔伍德，装载在通用原子电磁系统公司提供的航天器上。由美国国家航空航天局的空间技术任务主任的技术演示任务计划和美国国家航空航天局的人类探索和Opera，由空间通信和导航计划的选项任务目录支持，该项目由JPL管理。
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