為什么說每一納秒都很重要？原子鐘1納秒誤差，將會產(chǎn)生1米偏差

越遠離地球的航天器，就越依賴于與地球上的地面站通信來確定位置和目的地。美國國家航空航天局（NASA）的深空原子鐘，正在努力給予這些遠離地球的航天器更多導(dǎo)航自主權(quán)。在新發(fā)表在《自然》期刊上的一篇新研究論文中，該任務(wù)報告了在提高天基原子鐘，在很長一段時間內(nèi)精確一致測量時間能力方面取得的進展。其穩(wěn)定性還會影響幫助人們在地球上導(dǎo)航的GPS衛(wèi)星運行，因此這項研究也有可能增加下一代GPS航天器的自主性。

為了計算遙遠宇宙飛船的軌道，工程師們從宇宙飛船向地球發(fā)送信號，然后再返回。在地面上使用冰箱大小的原子鐘來記錄這些信號的時間，這對于精確測量航天器位置是必不可少的。但對于如火星或更遠目的地的航天器來說，等待信號耗時會增加到幾十分鐘甚至幾個小時。如果這些航天器攜帶原子鐘，則可以計算出自己的位置和方向，但這些鐘必須高度穩(wěn)定。GPS衛(wèi)星攜帶的原子鐘可以幫助我們到達地球上的目的地，但這些原子鐘需要每天更新幾次才能保持必要的穩(wěn)定性。

而更遙遠的深空任務(wù)將需要更穩(wěn)定的天基時鐘。深空原子鐘由美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室管理，自2019年6月以來一直在通用原子公司的軌道試驗臺航天器上運行。新研究報告表明，任務(wù)團隊在太空中創(chuàng)造了原子鐘長期穩(wěn)定性的新紀錄，達到了目前天基原子鐘穩(wěn)定性的10倍以上，包括GPS衛(wèi)星上的原子鐘。

每一納秒都很重要

所有原子鐘都有一定程度的不穩(wěn)定性，這會導(dǎo)致時鐘的時間相對于實際時間產(chǎn)生偏差。如果不進行校正，偏移量雖然很小，但會迅速增加，而且隨著航天器的導(dǎo)航，即使是很小的偏移量也可能產(chǎn)生巨大影響。深空原子鐘任務(wù)的關(guān)鍵目標之一是：測量時鐘在更長時間內(nèi)的穩(wěn)定性，看看它是如何隨著時間的變化而變化。在這篇新論文中，研究小組報告了一種穩(wěn)定水平，在運行20多天后，時間偏差不到4納秒。

研究的合著者、噴氣推進實驗室(JPL)原子鐘物理學(xué)家埃里克·伯特(Eric Burt)說：一般來說，1納秒的時間不確定度（誤差）相當于1米的距離不確定度。一些GPS時鐘必須一天更新幾次才能保持這樣的穩(wěn)定性，這意味著GPS高度依賴于與地面的通信。深空原子鐘將這一時間推遲到一周或更長時間，因此有可能給予GPS這樣的應(yīng)用更多自主權(quán)。這篇新研究報告的穩(wěn)定性和時間延遲大約是該團隊在2020年春季報告結(jié)果的五倍。

這并不代表時鐘本身的改進，而是團隊對時鐘穩(wěn)定性的測量。更長運行周期和幾乎一整年的額外數(shù)據(jù)使得提高它們的測量精度成為可能。深空原子鐘任務(wù)將于今年8月結(jié)束，但NASA宣布，這項技術(shù)的工作仍在繼續(xù)：深空原子鐘-2是尖端計時器的改進版本，將執(zhí)行VERITAS（金星發(fā)射率、射電科學(xué)、InSAR、地形和光譜）任務(wù)。像它的前身一樣，新的太空時鐘是一種技術(shù)展示，這意味著它的目標是通過開發(fā)目前還不存在的儀器、硬件、軟件等來提高太空能力。

由噴氣推進實驗室建造，由美國宇航局空間技術(shù)任務(wù)局(STMD)資助，利用這項技術(shù)產(chǎn)生的超精確時鐘信號可以幫助實現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航，并增強未來任務(wù)中的無線電科學(xué)觀測。噴氣推進實驗室的深空原子鐘首席研究員兼項目經(jīng)理托德·伊利說：NASA在VERITAS上選擇了深空原子鐘-2，這說明了這項技術(shù)的前景，在Veritas上，我們的目標是測試下一代太空時鐘的應(yīng)用，展示其在深空導(dǎo)航和科學(xué)方面的潛力。

博科園｜研究/來自：噴氣推進實驗室

研究發(fā)表期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-021-03571-7

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