一览通用原子轨道试验台航天器中海湾的深空原子钟。学分：美国宇航局
在深空，精确的计时对导航至关重要，但并非所有航天器都装有精确的钟表。20年来，位于加利福尼亚州帕萨迪纳市的NASA喷气推进实验室（JPL）一直在完善时钟。这不是手表；商店里没有的东西。这是深空原子钟（DSAC），是一种用于深空探索的仪器。
目前，大多数任务都依赖于与原子钟配对的地面天线进行导航。地面天线将狭窄聚焦的信号发送到航天器，然后航天器返回该信号。NASA利用发送信号和接收响应之间的时间差来计算航天器的位置，速度和路径。
这种方法尽管可靠，但可以使其效率更高。例如，地面站必须等待航天器返回信号，因此，一个站一次只能跟踪一个航天器。这要求航天器等待来自地球的导航命令，而不是在船上实时做出这些决定。
DSAC首席研究员JPL的Todd Ely说：“在深空进行导航需要利用我们对无线电信号如何在太空中传播的知识进行远距离测量。”“常规导航需要精确到一米或更好的距离测量。由于无线电信号以光速传播，这意味着我们需要将其飞行时间测量到几纳秒的精度。数十年来，原子钟已在地面上常规完成。DSAC就是在太空中做到这一点。”
DSAC项目旨在为未来的NASA任务提供准确的机上计时。使用这项新技术的航天器将不再需要依赖双向跟踪。航天器可以使用从地球发送的信号来计算位置，而无需返回信号并等待来自地面的命令，这一过程可能要花费数小时。及时的位置数据和机载控制可实现更有效的操作，更精确的操纵以及对意外情况的调整。
这种范式转换使航天器能够专注于任务目标，而不是调整其位置以使天线指向地球以关闭双向跟踪链接。
此外，这项创新技术将使地面站能够在火星附近（如美国国家航空航天局（NASA）的科学任务拥挤）附近立即跟踪多颗卫星。在某些情况下，该跟踪数据的准确性将比传统方法高五倍。
JPL空间技术计划负责人Tom Cwik（左）和JPL深空原子钟项目经理Allen Farrington在美国萨里卫星美国轨道试验台航天器上查看了集成的原子钟有效载荷。学分：萨里卫星技术。
DSAC是基于汞离子阱技术的小型，低质量原子钟的高级原型。深空网络中地面站的原子钟大约等于冰箱的大小。DSAC的大小约为四片烤面包机，可以进一步小型化以用于将来的任务。
DSAC试飞将把这项技术从实验室带到太空环境。在运行过程中，DSAC任务将使用来自美国的导航信号。GPS结合GPS卫星轨道和时钟的精确知识来确认DSAC的性能。该演示应确认DSAC一天之内可以将时间精度保持在2纳秒（.000000002秒）以上，以达到0.3纳秒的精度为目标。
一旦DSAC证明了该技术，以后的任务便可以使用其技术增强功能。该时钟有望增加跟踪数据的数量并提高跟踪数据的质量。DSAC与机载无线电导航相结合可以确保未来的勘探任务具有将人类送回月球并穿越太阳系所需的导航数据。
DSAC上的技术还可以改善GPS时钟的稳定性，进而可以为全球用户提供GPS服务。地面测试结果表明，DSAC比目前在GPS上运行的原子钟稳定50倍以上。DSAC有望成为有史以来最稳定的导航空间时钟。
“我们的远大目标是使用DSAC改善深空导航和科学，” Ely说。“如果将其用于确保GPS系统的可用性和持续性能，它将对地球上的每个人产生真正而直接的影响。”
DSAC是美国国家航空航天局（NASA）的太空技术任务局与太空通讯和导航计划办公室（人类探索与行动任务局下的计划）之间的合作伙伴关系。DSAC将于2018年作为美国航空航天技术计划（STP-2）任务上的通用原子轨道试验台航天器上的托管有效载荷发射。
有关DSAC的更多信息，请访问nasas.gov/mission_pages/tdm/clock。
资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心丹尼·贝尔德（Danny Baird）
