如何在太空中建設GPS系統？你需要精度高出50倍的深空原子鐘

深空原子鐘的漫畫圖像，這是NASA測試的一項新技術，它將改變人類在太陽系中導航的方式。這個精確的“計時器”定於6月下旬搭載SpaceX公司的獵鷹重型火箭，從佛羅里達州發射升空。

版權：NASA / JPL-Caltech

美國航空航天局（NASA）的導航研究員正在努力規劃一個藍圖，讓航天器可以自主而安全地飛向月球和火星等目的地。

現階段，導航員只能在地球上計算航天器的位置，然後將位置數據通過雙向中繼系統（two-way relay system）發送到太空之中，以此來告訴航天器應該去哪裡，而雙向中繼系統可能需要幾分鐘到幾小時的時間來傳送方向。這種導航方法意味著，無論太空探索任務在太陽系中行進至何處，我們的航天器仍然像一隻被拴在地球上的風箏，等待來自地球的行進指令。

在未來，對人類登陸另一個星球的任務來說，這種限制是一個明顯的掣肘。如果航天器上的宇航員無法即時控制前進的位置和方向，他們如何能夠順利地從地球遠航呢？當通信延遲影響到他們調整進入星球大氣軌道的速度時，他們又如何能夠準確地降落在另一個星球上？

NASA的深空原子鐘（Deep Space Atomic Clock）設備只有一臺烤麵包機那麼大，它將為我們解決這些問題。這是第一款體積小、類似全球定位系統（Global Positioning System，GPS）的儀器，在航天器上飛行時穩定性足夠強。這次的技術演示能讓航天器知道自己的位置，而無需依賴來自地球的數據。6月下旬，SpaceX的獵鷹重型火箭（Falcon Heavy rocket）會將深空原子鐘發射到地球軌道上，並在該軌道上待滿一年的時間，測試它是否能夠幫助航天器在太空中進行定位。

如果深空原子鐘在太空中試驗的這一年進展順利，那麼它就能為未來的單向導航打好基礎。利用單向導航，宇航員可以通過一種類似GPS的系統在月球表面上進行導航，也可以安全地自主執行任務，前往火星以及更遠的太空位置。

“每一個探索深空的航天器都由地球上的導航員引導。通過啟用機載自主導航，或自動駕駛航天器，深空原子鐘將改變這一狀況。”副首席研究員吉爾•舒伯特（Jill Seubert）說道。

深空之中並不存在GPS

其實，太空中的原子鐘並不是什麼新鮮事物，我們所用的每個內置GPS的設備，例如智能手機，都是通過環繞地球的多顆衛星上的原子鐘來確定位置的。已知位置的衛星從太空向地球發送信號，接收器通過測量信號到達GPS的時間長短來三角測量我們的具體位置。

深空原子鐘是NASA JPL的一項新技術，或許能會改變飛船和探測器在太空中的導航方式。6月下旬，美國太空探索技術公司SpaceX獵鷹重型火箭將發射軌道試驗床衛星（Orbital Test Bed satellite），對於地球之外其他世界裡的自動駕駛航天器和類似GPS的導航系統，這種後續的技術演示可能是關鍵組成部分。

版權：通用原子能電磁系統公司

但是現階段，飛到地球軌道之外的航天器則沒有GPS給它們在太空中導航。對於行駛在太空中的航天器來說，GPS衛星上原子鐘的精確度遠遠不夠，無法發送正確的方向指令，即使信號只滯後或者消失了不到一秒的時間，也可能意味著離登陸一顆行星差了好幾公里。

因此，現在採用的方法就是讓導航員用地球上的巨型天線向航天器發送信號，然後信號由航天器反彈回到地球。地面上精確度極高的時鐘可以測量信號進行雙向旅程所需的時間，告訴導航員飛船距離地球有多遠、飛行速度有多快。只有這樣，導航員才能進一步向航天器發送指示，告訴它接下來該怎麼走。

“這與回聲的概念如出一轍，” 舒伯特說，“如果我站在一座山前，大聲喊叫，回聲傳回我耳邊的時間越長，就意味著這座山越遠。”

雙向導航（two-way navigation）意味著：無論太空探索任務行進到多遠的地方，它都必須等待攜帶命令的信號翻山越嶺傳回航天器，跨越行星之間難以想象的巨大距離。這樣的過程聽起來並不陌生，這還的多謝好奇號（Curiosity）這樣的火星登陸任務，世界曾等待了長達14分鐘的任務控制，讓好奇號火星車向地球發出它安全登陸火星的信息。14分鐘的延遲是一個平均等待時間：根據地球和火星在各自軌道上的位置不同，單向信號可能需要4到20分鐘用於在行星之間傳播。

這種導航方式讓航天器在深空中的行進緩慢而費力，它讓NASA深空網絡（Deep Space Network，DSN）的巨型天線繁忙不堪，彷彿通話高峰時的電話線路。在這種信號交換中，一架以每小時數萬英里的速度飛行的航天器在“知道”它的位置時，可能已經處於一個完全不同的地方。

更好的太空導航方式

如果有一個足夠小又足夠精確的原子鐘，能夠為航天器提供準確的導航指示，那這種雙向系統的需求就會不復存在。未來的導航員將可以直接從地球發送信號到航天器，就像在地球軌道上的導航衛星一樣，航天器上的深空原子鐘將測量來自地球的信號到達它所需的時間，然後，航天器就可以計算自己的位置和軌跡，自己給自己指示方向。

深空原子鐘的首席研究員託德•埃利（Todd Ely）表示：“太空船如果能擁有一個原子鐘，我們就可以實現‘船載’無線電導航，當與光學導航（optical navigation）結合使用時，就能為宇航員提供更準確、更安全的導航方式。”

這種單向導航系統適用於火星和更遠的宇宙探索目的地。通過向空間廣播一個信號，DSN的巨型天線將能夠一次性與多個任務進行通信，這項新技術也能夠提高地球上GPS的準確性。具有深空原子鐘的多個航天器可以圍繞火星運行，創建出一個類似GPS的網絡，為火星上的探測車和人類提供方向指示。

“深空原子鐘將有助於導航，這種幫助不侷限於地球，在其他星球上也是如此。不妨可以想象成我們在其他星球上也有GPS一樣。”領導研發離子鍾（ion clock）的埃裡克•伯特（Eric Burt）說道。

伯特和噴氣推進實驗室 （Jet Propulsion Laboratory，JPL）的時鐘物理學家同事羅伯特•朱爾克（Robert Tjoelker）和約翰•普雷斯塔基（John Prestage）創造了一種汞離子鍾，它在太空中的穩定性與地球上冰箱大小的原子鐘一樣。在實驗室測試中，深空原子鐘被證明比GPS時鐘要精確50倍，也就是每1000萬年才會出現1秒鐘的偏差。

深空原子鐘在太空中的技術演示至關重要，將決定它是否能在軌道上保持穩定。如果它能表現良好的穩定性，那麼最早在21世紀30年代深空原子鐘就可以開始執行任務。作為自動駕駛航天器的第一步，有朝一日深空原子鐘或許能將人類運送到太空中其他的世界。

深空原子鐘位於科羅拉多州恩格爾伍德，裝載於通用美國通用原子能電磁系統公司（General Atomics Electromagnetic Systems）提供的航天器上，由NASA太空技術任務理事會（Space Technology Mission Directorate）的技術示範任務計劃（Technology Demonstration Missions program）和NASA人類探索和作戰任務理事會（Human Exploration and Operations Mission Directorate）的空間通信和導航計劃（Space Communications and Navigations program）贊助，由JPL管理該項目。

關於NASA深空原子鐘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

瞭解SpaceX獵鷹重型火箭（Falcon Heavy）發射中的其他NASA任務（包括深空原子鐘），請見：https://www.nasa.gov/spacex

參考：

https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7427

https://www.space.com/falcon-heavy-nasa-testing-clean-fuel-stp2.html