在我們的月球之外冒險的航天器依靠與地球上的地面站的通信來弄清他們在哪里以及他們要去哪裡。美國宇航局的深空原子鍾正在努力讓這些遠方的探索者在導航時有更多的自主權。在2021年6月30日發表在《自然》雜誌上的一篇新論文中，該任務報告了他們在提高天基原子鐘長期持續測量時間的能力方面的工作進展。

這項功能可提高整套系統的穩定性，也影響到幫助人們在地球上導航的GPS衛星的運行，因此這項工作也有可能提高下一代GPS航天器的自主性。

為了計算一個遙遠的航天器的軌跡，工程師們將信號從航天器發送至地球並返回。他們在地面上使用冰箱大小的原子鐘來記錄這些信號的時間，這對於精確測量航天器的位置至關重要。但是對於火星或更遙遠的目的地的機器人來說，等待信號的旅程可能很快就會增加到數十分鐘甚至數小時。

如果這些航天器攜帶原子鐘，它們可以計算出自己的位置和方向，但這些鐘必須高度穩定。GPS衛星攜帶原子鐘，幫助我們到達地球上的目的地，但這些時鐘需要每天更新幾次，以保持必要的穩定水平。深空任務將需要更穩定的天基時鐘。

位於通用原子公司電磁系統軌道試驗台航天器中間艙的深空原子鐘的一瞥。

由美國宇航局位於南加州的噴氣推進實驗室管理，深空原子鐘自2019年6月以來一直在通用原子公司的軌道試驗台航天器上運行。新的研究報告稱，任務團隊創造了空間長期原子鐘穩定性的新紀錄，達到了目前天基原子鐘穩定性的10倍以上，包括GPS衛星上的原子鐘。

當每一納秒都很重要時

所有的原子鐘都有某種程度的不穩定性，導致時鐘的時間與實際時間的偏移。如果不加以糾正，這種偏移雖然微不足道，但會迅速增加，而對於航天器的導航來說，即使是一個微小的偏移也會產生巨大的影響。

深空原子鐘任務的關鍵目標之一是測量時鐘在越來越長時期內的穩定性，在新的論文中，該團隊報告了一個穩定的水平，導致在超過20天的運行後，時間偏差小於4納秒。

“一般來說，1納秒的時間不確定性對應於大約1英尺的距離不確定性，”JPL的任務原子鐘物理學家和新論文的共同作者Eric Burt說。”一些GPS時鐘必須每天更新數次以保持這一水平的穩定性，這意味著GPS高度依賴與地面的通信。深空原子鐘將這一時間推到了一周或更久，從而有可能使像GPS這樣的應用獲得更多的自主權。”

新論文中報告的穩定性和隨後的時間延遲比該團隊在2020年春季報告的要好大約五倍。這並不代表時鐘本身的改進，而是團隊對時鐘穩定性的測量。更長的運行期和幾乎一整年的額外數據使得他們的測量精度得到了提高。

美國宇航局的深空原子鐘可以徹底改變深空導航。該技術演示的一個關鍵要求是一個緊湊的設計。這裡展示的是完整的硬件包，每邊只有大約10英寸（25厘米）。

深空原子鐘任務將在8月結束，但美國宇航局宣布，這項技術的工作仍在繼續：深空原子鐘-2，這個尖端計時器的改進版，將在飛往金星的VERITAS（金星輻射率、無線電科學、InSAR、地形學和光譜學的簡稱）任務中飛行。與它的前身一樣，新設計的太空原子鐘是一個技術演示，意味著它的目標是通過開發目前不存在的儀器、硬件、軟件或類似的東西來推進太空能力。由JPL建造並由NASA空間技術任務局（STMD）資助，用這項技術產生的超精確時鐘信號可以幫助實現自主航天器導航，並加強未來任務的無線電科學觀測。

深空原子鐘的心臟

計算機輔助設計，或稱CAD繪製了時鐘的線性離子阱–深空原子鐘物理包的”心臟”–比兩卷並排的硬幣略小。DSAC項目是一個基於汞離子阱技術的小型低質量原子鐘，將在太空中展示實力，為下一代深空導航和無線電科學提供前所未有的穩定性。

“NASA在VERITAS上選擇了深空原子鐘-2，這說明了這項技術的前景，”JPL的深空原子鐘主要研究人員和項目經理Todd Ely說。”在VERITAS上，我們的目標是讓這個下一代空間時鐘通過它的考驗，並展示它在深空導航和科學方面的潛力。”