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  深空原子钟:让航天器自主导航

  NASA的深空原子钟将前往近地轨道进行为期一年的测试

  图片来源:英国《科学新闻》网站

  今日视点

  你想过吗?有朝一日,遨游太阳系可能会像搭乘公共汽车上班一样容易——自动驾驶宇宙飞船运送宇航员穿越深空,类似GPS的定位系统将引导游客在其他行星和卫星表面穿越各种地形。但要实现这些充满未来感的导航计划,航天器和卫星需要配备计时精度极高的时钟,这就是美国国家航空航天局(NASA)的深空原子钟。

  据英国《科学新闻》周刊网站近日报道,一个深空原子钟样本于24日试飞,有望成为有史以来最稳定的太空原子钟。该项目首席研究员、NASA喷气推进实验室的伊尔·舒伯特在新闻发布会上说,这种迷你原子钟将安装在未来的宇宙飞船或卫星上,可能“彻底改变我们的航天器在深空的导航方式”。

  新原子钟为何这么靠谱

  据悉,NASA的深空原子钟对每一秒计量的一致程度大约是GPS卫星上原子钟的50倍——也就是每1000万年才会出现1秒钟的偏差,与NASA“深空网络”所使用的地面原子钟的精度相当。地面原子钟利用无线电天线与整个太阳系的航天任务进行通信。但与那些冰箱大小的原子钟不同,烤面包机大小的深空原子钟更小,可以搭载在航天器上。

  新原子钟为何这么可靠呢?该项目研究员、NASA喷气推进实验室的托德·埃利解释说,这种新的原子钟利用带电的汞原子或离子来计时,而目前地球GPS卫星上的原子钟则使用中性的铷原子来计时。由于深空原子钟内部的汞原子带有电荷,它们会被困在电场中,因而无法与其容器壁相互作用;相比之下,GPS原子钟内部的这种相互作用会导致铷原子失去节奏。

  GPS卫星时钟需要地球上的指挥中心每天进行两次修正,但新的原子钟更加可靠,不需要频繁修正。埃利说:“如果你有深空原子钟,那么每天两次(修正)可能会变成数周一次,甚至数月一次。”

  从双向中继变单向导航

  那么,深空原子钟最大的作用是什么?研究人员称,主要是帮助航天器实现自主导航。舒伯特说:“今天探索深空的每一台航天器都依赖在地球上进行的导航操作。”

  他解释道,地面天线通过双向中继系统(two-way relay system)向航天器发送信号,然后航天器把信号发射回来。通过测量信号的往返时间,“深空网络”的地面原子钟可以帮助确定航天器的位置。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,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,才能继续前行。但是有了深空原子钟,“我们可以过渡到所谓的单向追踪”。宇宙飞船将用其来测量追踪信号从地球抵达飞船所需的时间,而无需将信号发回地面的原子钟进行测量,这将使航天器能够判断自己的轨道。

  能自我定位、自主导航的航天器可以使宇航员在不需要接收地球指令的情况下,自行穿越太阳系。埃利说:“在火星这样的地方,(追踪信号)往返时间为8—40分钟;在木星,可能是一个半小时;而在土星,则是两个半小时。”

  由于飞行器能自我定位,宇航员可以更加灵活地开展行动,更及时地对意外情况作出反应。

  在其他星球上,探测器可利用其携带的深空原子钟来广播带有精确时间标记的信号,任何GPS地面接收器都可以利用这些信号,通过三角测量法确定它的位置。另外,携带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宇航员指示方向。

  进行为期一年的测试

  这个原子钟样本从NASA位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心发射。研究人员将对其在近地轨道的表现进行为期一年的监测,以测试这台原子钟在太空中的稳定性及其一整年的运行情况。埃利说:“我们的目标是每天误差为2纳秒左右,或者不到2纳秒。”

  舒伯特表示,如果深空原子钟在太空中试验的这一年进展顺利,那么它最早在本世纪30年代就可以开始执行任务,能为未来的单向导航打好基础。宇航员将可以用其在月球表面进行导航,也可以安全地自主执行任务,前往火星以及更远的深空。减少与地球之间的通信——这将是航天器目前航行方式的巨大改进。

  (科技日报北京6月25日电)



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  2019年6月25日,国务委员兼外交部长王毅在中非合作论坛北京峰会成果落实协调人会议开幕式致辞时表示,中非峰会结束以来,中非交往与合作掀起了新的热潮,峰会成果的落实工作已经全面铺开。高层交往更加密切,中方17位党和国家领导人访问了非洲25国和非盟总部。政治互信不断加强,治国理政经验交流日趋深入,在国际事务中的沟通协作更为紧密。共建“一带一路”加速推进,已有40个非洲国家和非盟委员会同中方签署“一带一路”合作文件。实施和平安全行动对话会成功举行,中国非洲研究院正式成立,合作推进“八大行动”开局良好。双方结合自身能力和非洲实际需求制订了国别落实方案,将在未来3年实施总共880多个合作项目。中方援款或优惠贷款支持的重大合作项目稳健起步,双方贸易额去年再次突破2000亿美元,中国连续10年成为非洲第一大贸易伙伴。总体看,峰会成果落实呈现出“早见效、高标准、惠民生”等可喜态势,赢得了非洲国家的普遍欢迎。



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