如何在太空中建设GPS系统？你需要精度高出50倍的深空原子钟

深空原子钟的漫画图像，这是NASA测试的一项新技术，它将改变人类在太阳系中导航的方式。这个精确的“计时器”定于6月下旬搭载SpaceX公司的猎鹰重型火箭，从佛罗里达州发射升空。
版权：NASA / JPL-Caltech

美国航空航天局（NASA）的导航研究员正在努力规划一个蓝图，让航天器可以自主而安全地飞向月球和火星等目的地。

现阶段，导航员只能在地球上计算航天器的位置，然后将位置数据通过双向中继系统（two-way relay system）发送到太空之中，以此来告诉航天器应该去哪里，而双向中继系统可能需要几分钟到几小时的时间来传送方向。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，我们的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。

在未来，对人类登陆另一个星球的任务来说，这种限制是一个明显的掣肘。如果航天器上的宇航员无法即时控制前进的位置和方向，他们如何能够顺利地从地球远航呢？当通信延迟影响到他们调整进入星球大气轨道的速度时，他们又如何能够准确地降落在另一个星球上？

NASA的深空原子钟（Deep Space Atomic Clock）设备只有一台烤面包机那么大，它将为我们解决这些问题。这是第一款体积小、类似全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的仪器，在航天器上飞行时稳定性足够强。这次的技术演示能让航天器知道自己的位置，而无需依赖来自地球的数据。6月下旬，SpaceX的猎鹰重型火箭（Falcon Heavy rocket）会将深空原子钟发射到地球轨道上，并在该轨道上待满一年的时间，测试它是否能够帮助航天器在太空中进行定位。

如果深空原子钟在太空中试验的这一年进展顺利，那么它就能为未来的单向导航打好基础。利用单向导航，宇航员可以通过一种类似GPS的系统在月球表面上进行导航，也可以安全地自主执行任务，前往火星以及更远的太空位置。

“每一个探索深空的航天器都由地球上的导航员引导。通过启用机载自主导航，或自动驾驶航天器，深空原子钟将改变这一状况。”副首席研究员吉尔•舒伯特（Jill Seubert）说道。

深空之中并不存在GPS

其实，太空中的原子钟并不是什么新鲜事物，我们所用的每个内置GPS的设备，例如智能手机，都是通过环绕地球的多颗卫星上的原子钟来确定位置的。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的时间长短来三角测量我们的具体位置。

深空原子钟是NASA JPL的一项新技术，或许能会改变飞船和探测器在太空中的导航方式。6月下旬，美国太空探索技术公司SpaceX猎鹰重型火箭将发射轨道试验床卫星（Orbital Test Bed satellite），对于地球之外其他世界里的自动驾驶航天器和类似GPS的导航系统，这种后续的技术演示可能是关键组成部分。
版权：通用原子能电磁系统公司

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但是现阶段，飞到地球轨道之外的航天器则没有GPS给它们在太空中导航。对于行驶在太空中的航天器来说，GPS卫星上原子钟的精确度远远不够，无法发送正确的方向指令，即使信号只滞后或者消失了不到一秒的时间，也可能意味着离登陆一颗行星差了好几公里。

因此，现在采用的方法就是让导航员用地球上的巨型天线向航天器发送信号，然后信号由航天器反弹回到地球。地面上精确度极高的时钟可以测量信号进行双向旅程所需的时间，告诉导航员飞船距离地球有多远、飞行速度有多快。只有这样，导航员才能进一步向航天器发送指示，告诉它接下来该怎么走。

“这与回声的概念如出一辙，” 舒伯特说，“如果我站在一座山前，大声喊叫，回声传回我耳边的时间越长，就意味着这座山越远。”

双向导航（two-way navigation）意味着：无论太空探索任务行进到多远的地方，它都必须等待携带命令的信号翻山越岭传回航天器，跨越行星之间难以想象的巨大距离。这样的过程听起来并不陌生，这还的多谢好奇号（Curiosity）这样的火星登陆任务，世界曾等待了长达14分钟的任务控制，让好奇号火星车向地球发出它安全登陆火星的信息。14分钟的延迟是一个平均等待时间：根据地球和火星在各自轨道上的位置不同，单向信号可能需要4到20分钟用于在行星之间传播。

这种导航方式让航天器在深空中的行进缓慢而费力，它让NASA深空网络（Deep Space Network，DSN）的巨型天线繁忙不堪，仿佛通话高峰时的电话线路。在这种信号交换中，一架以每小时数万英里的速度飞行的航天器在“知道”它的位置时，可能已经处于一个完全不同的地方。

更好的太空导航方式

如果有一个足够小又足够精确的原子钟，能够为航天器提供准确的导航指示，那这种双向系统的需求就会不复存在。未来的导航员将可以直接从地球发送信号到航天器，就像在地球轨道上的导航卫星一样，航天器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，航天器就可以计算自己的位置和轨迹，自己给自己指示方向。

深空原子钟的首席研究员托德•埃利（Todd Ely）表示：“太空船如果能拥有一个原子钟，我们就可以实现‘船载’无线电导航，当与光学导航（optical navigation）结合使用时，就能为宇航员提供更准确、更安全的导航方式。”

这种单向导航系统适用于火星和更远的宇宙探索目的地。通过向空间广播一个信号，DSN的巨型天线将能够一次性与多个任务进行通信，这项新技术也能够提高地球上GPS的准确性。具有深空原子钟的多个航天器可以围绕火星运行，创建出一个类似GPS的网络，为火星上的探测车和人类提供方向指示。

“深空原子钟将有助于导航，这种帮助不局限于地球，在其他星球上也是如此。不妨可以想象成我们在其他星球上也有GPS一样。”领导研发离子钟（ion clock）的埃里克•伯特（Eric Burt）说道。

伯特和喷气推进实验室 （Jet Propulsion Laboratory，JPL）的时钟物理学家同事罗伯特•朱尔克（Robert Tjoelker）和约翰•普雷斯塔基（John Prestage）创造了一种汞离子钟，它在太空中的稳定性与地球上冰箱大小的原子钟一样。在实验室测试中，深空原子钟被证明比GPS时钟要精确50倍，也就是每1000万年才会出现1秒钟的偏差。

深空原子钟在太空中的技术演示至关重要，将决定它是否能在轨道上保持稳定。如果它能表现良好的稳定性，那么最早在21世纪30年代深空原子钟就可以开始执行任务。作为自动驾驶航天器的第一步，有朝一日深空原子钟或许能将人类运送到太空中其他的世界。

深空原子钟位于科罗拉多州恩格尔伍德，装载于通用美国通用原子能电磁系统公司（General Atomics Electromagnetic Systems）提供的航天器上，由NASA太空技术任务理事会（Space Technology Mission Directorate）的技术示范任务计划（Technology Demonstration Missions program）和NASA人类探索和作战任务理事会（Human Exploration and Operations Mission Directorate）的空间通信和导航计划（Space Communications and Navigations program）赞助，由JPL管理该项目。

关于NASA深空原子钟你需要知道的五件事：https://www.nasa.gov/feature/jpl/five-things-to-know-about-nasas-deep-space-atomic-clock

了解SpaceX猎鹰重型火箭（Falcon Heavy）发射中的其他NASA任务（包括深空原子钟），请见：https://www.nasa.gov/spacex

参考：
https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7427
https://www.space.com/falcon-heavy-nasa-testing-clean-fuel-stp2.html