原子钟如何将人类准时送上火星？

美国宇航局的导航员正在帮助建立一个未来，使航天器可以安全、自主地飞行到月球和火星等目的地。 今天的导航员通过计算其与地球的位置并通过双向中继系统将位置数据发送到太空来告诉航天器要去哪里，这可能需要几分钟到几小时的时间来传递方向。这种导航方法意味着，无论任务在太阳系中飞行多远，我们的航天器仍被拴在地面上，等待来自我们星球的命令。

这种限制给未来的另一个星球的载人任务带来了明显的问题。如果宇航员不能立即控制他们要去的地方，他们怎么能在远离地球的地方航行呢？当通信延迟影响他们调整进入大气层的轨道速度时，他们如何才能准确地降落在另一个星球上？

美国宇航局的深空原子钟是一个烤面包机大小的设备，旨在回答这些问题。它是第一个小而稳定的类似 GPS 的仪器，可以在航天器上飞行。该技术演示使航天器能够知道它在哪里，而无需依赖来自地球的数据。 6月下旬，该时钟将在SpaceX Falcon Heavy火箭上发射进入地球轨道一年，它将测试它是否可以帮助航天器在太空中定位自己。

如果深空原子钟在太空的试验进展顺利，它将为未来的单向导航铺平道路，在这种导航中，宇航员由类似 GPS 的系统可以穿越月球表面，或者可以安全地将自己的任务飞往火星及更远的地方。 “每艘探索深空的航天器都由地球上的导航员驾驶。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一点，”副首席研究员吉尔·苏伯特说。

深空没有 GPS

太空中的原子钟并不新鲜。每个 GPS 设备和智能手机都通过绕地球运行的卫星上的原子钟确定其位置。卫星从太空发送信号，接收器通过测量信号到达 GPS 所需的时间来三角定位您的位置。 目前，飞越地球轨道的航天器没有 GPS 来寻找穿越太空的方式。

GPS卫星上的原子钟不够准确，无法向航天器发送方向，即使偏离不到一秒也可能意味着错过一颗行星数英里。 相反，导航员使用地球上的巨型天线向航天器发送信号，航天器将其反射回地球。地面上极其精确的时钟测量信号进行这种双向旅行所需的时间。时间量告诉他们宇宙飞船有多远以及它的速度有多快。只有这样，导航员才能向航天器发送方向，告诉它去哪里。 “这与回声的概念完全相同”， “如果我站在山前大喊大叫，回声回响的时间越长，山越远。”

双向导航意味着无论任务进入多深的太空，它仍然必须等待携带命令的信号才能穿越行星之间的广阔距离。这是一个因好奇号等火星登陆而闻名的过程，当时世界在任务控制系统中等待了 14 分钟，等待漫游者发送安全着陆的信息。这种延迟是平均等待时间：根据地球和火星在其轨道上的位置，单向信号在行星之间传播可能需要 4 到 20 分钟。

这是一种在深空导航的缓慢而费力的方式，它将美国宇航局深空网络的巨型天线像一条繁忙的电话线一样连接起来。在这种交流过程中，以每小时数万英里的速度飞行的航天器在它“知道”它所在的位置时可能会在一个完全不同的地方。

更好的导航方式

一个小到可以执行任务但又足够精确以提供准确方向的原子钟可以消除对这种双向系统的需求。未来的导航员将从地球向航天器发送信号。就像它在地球上的表亲一样，机载的深空原子钟会测量信号到达它所花费的时间。

然后，航天器可以计算自己的位置和轨迹，基本上给自己指明方向。 深空原子钟首席研究员托德·伊利 (Todd Ely) 说：“机载时钟可以实现机载无线电导航，并且与光学导航相结合，可以为宇航员提供一种更准确、更安全的自我导航方式。” 这种单向导航适用于火星及其他地区。通过向太空广播一个信号，DSN 天线将能够一次与多个任务进行通信。

新技术可以提高地球上 GPS 的准确性。以及多个带有深空原子钟的航天器 可以绕火星运行，创建一个类似 GPS 的网络，为地表的机器人和人类提供方向。 “深空原子钟将有能力帮助导航，不仅在本地，而且在其他行星上也是如此。一种思考方式是，就好像我们在其他行星上安装了 GPS，”离子钟开发部 Eric Burt 说 带领。

Burt 和 JPL 时钟物理学家 Robert Tjoelker 和 John Prestage 创造了一个汞离子钟，它在太空中保持其稳定性的方式与地球上冰箱大小的原子钟相同。 在实验室测试中，深空原子钟被证明比 GPS 时钟准确 50 倍。 这是每 1000 万年 1 秒的误差。

时钟在太空中的演示将决定它能否在轨道上保持稳定。 如果是这样，深空原子钟最早可以在 2030 年代执行任务。 迈向自动驾驶宇宙飞船的第一步，它有朝一日可以将人类带到其他世界。