Måling af tid i det dybe rum

En videnskabsmand, der udvikler Deep Space Atomic uret om, hvorfor det er nøglen til fremtidige rummissioner.

DSAC forbereder sig på et årelangt eksperiment for at karakterisere og teste dets egnethed til brug i fremtidig udforskning af dybe rum. Billede via NASA Jet Propulsion Laboratory

Af Todd Ely, NASA

Vi forstår alle intuitivt tidens grundlæggende. Hver dag tæller vi dens passage og bruger den til at planlægge vores liv.

Vi bruger også tid til at navigere vores vej til de destinationer, der betyder noget for os. I skolen lærte vi, at hastighed og tid vil fortælle os, hvor langt vi gik med at rejse fra punkt A til punkt B; med et kort kan vi vælge den mest effektive rute - enkel.

Men hvad nu hvis punkt A er jorden, og punkt B er Mars - er det stadig så enkelt? Konceptuelt, ja. Men for faktisk at gøre det har vi brug for bedre værktøjer - meget bedre værktøjer.

På NASAs Jet Propulsion Laboratory arbejder jeg med at udvikle et af disse værktøjer: Deep Space Atomic Clock eller DSAC for kort. DSAC er et lille atomur, der kunne bruges som en del af et rumfartøjsnavigationssystem. Det forbedrer nøjagtigheden og muliggør nye navigationsmåder, f.eks. Uden opsyn eller autonome.

I sin endelige form vil Deep Space Atomic Clock være velegnet til operationer i solsystemet langt ud over Jordens kredsløb. Vores mål er at udvikle en avanceret prototype af DSAC og betjene den i rummet i et år, og demonstrere dens anvendelse til fremtidig udforskning af dybe rum.

Hastighed og tid fortæller os afstand

For at navigere i det dybe rum måler vi transittiden for et radiosignal, der kører frem og tilbage mellem et rumfartøj og en af ​​vores transmitterende antenner på Jorden (normalt et af NASAs Deep Space Network-komplekser beliggende i Goldstone, Californien; Madrid, Spanien eller Canberra, Australien).

Canberra Deep Space Communications Complex i Australien er en del af NASAs Deep Space Network, der modtager og indtager radiosignaler til og fra rumfartøjer. Billede via Jet Propulsion Laboratory

Vi ved, at signalet kører med lysets hastighed, en konstant på cirka 300.000 km / sek. (186.000 miles / sek). Derefter kan vi beregne afstande og relative hastigheder for rumfartøjet, hvor lang tid det tager vores "tovejs" -måling at gå der og tilbage.

For eksempel er en kredsløbssatellit ved Mars i gennemsnit 250 millioner kilometer fra Jorden. Det tager tid for radiosignalet at rejse dit og tilbage (kaldet dens to-vejs lystid) er cirka 28 minutter. Vi kan måle signalets køretid og derefter relatere det til den samlede afstand, der er passeret mellem jordsporingsantennen og orbiteren til bedre end en meter, og orbiterens relative hastighed i forhold til antennen til inden for 0,1 mm / sek.

Vi samler data om afstand og relativ hastighed over tid, og når vi har en tilstrækkelig mængde (for en Mars-orbiter er dette typisk to dage), kan vi bestemme satellitens bane.

Måling af tid, langt ud over schweizisk præcision

Grundlæggende for disse præcise målinger er atomur. Ved at måle meget stabile og præcise lysfrekvenser udsendt af visse atomer (eksempler inkluderer brint, cæsium, rubidium og, for DSAC, kviksølv), kan et atomur regulere den tid, der holdes af et mere traditionelt mekanisk (kvartskrystall) ur. Det er som en indstillingsgaffel til timekeeping. Resultatet er et ursystem, der kan være ultra stabilt over årtier.

Præcisionen af ​​Deep Space Atomic Clock er afhængig af en iboende egenskab af kviksølvioner - de overgår mellem tilstødende energiniveauer med en frekvens på nøjagtigt 40,5073479968 GHz. DSAC bruger denne egenskab til at måle fejlen i et kvartsurets "krydsfrekvens" og med denne måling "styrer" den mod en stabil hastighed. DSACs resulterende stabilitet er på niveau med jordbaserede atomur, der vinder eller taber mindre end et mikrosekund pr. Årti.

Fortsætter med Mars-orbiter-eksemplet, er jordbaserede atomur ved Deep Space Network-fejlbidraget til orbiterens to-vejs lystidsmåling i størrelsesordenen picosekunder, hvilket kun bidrager med fraktioner af en meter til den samlede afstandsfejl. Ligeledes er urernes bidrag til fejl i orbiterens hastighedsmåling en minuscule brøkdel af den samlede fejl (1 mikrometer / sek. Ud af 0,1 mm / sek i alt).

Afstand og hastighedsmålinger indsamles af jordstationerne og sendes til team af navigatører, der behandler dataene ved hjælp af sofistikerede computermodeller for rumfartøjsbevægelse. De beregner en bedst egnet bane, der for en Mars-orbiter typisk er nøjagtig til inden for 10 meter (ca. længden af ​​en skolebus).

DSAC-demonstrationsenheden (vist monteret på en plade for let transport). Billede via Jet Propulsion Laboratory

ing et atomur til dybt rum

De jordur, der bruges til disse målinger, er på størrelse med et køleskab og fungerer i omhyggeligt kontrollerede miljøer - bestemt ikke egnet til rumflyvning. Til sammenligning er DSAC, selv i sin nuværende prototype som set ovenfor, omtrent størrelsen på en brødrister med fire skiver. Ved design er det i stand til at fungere godt i det dynamiske miljø ombord i et dybtgående udforskningsfartøj.

DSAC kviksølvionfældehus med elektriske feltfangestænger set i udskæringerne. Billede via Jet Propulsion Laboratory

En nøgle til at reducere DSACs samlede størrelse var miniaturisering af kviksølvionfælden. Vist på figuren ovenfor er den ca. 15 cm (6 tommer) i længden. Fælden begrænser plasmaet af kviksølvioner ved hjælp af elektriske felter. Ved at anvende magnetfelter og ekstern afskærmning tilvejebringer vi derefter et stabilt miljø, hvor ionerne minimeres af temperatur eller magnetiske variationer. Dette stabile miljø giver mulighed for at måle ionenes overgang mellem energitilstander meget præcist.

DSAC-teknologien forbruger ikke rigtig andet end strøm. Alle disse funktioner sammen betyder, at vi kan udvikle et ur, der er egnet til rumopgaver med meget lang varighed.

Da DSAC er lige så stabilt som dets jordbundne modstykker, behøver rumfartøjer, der transporterer DSAC, ikke at vende signalerne for at få tovejssporing. I stedet kunne rumfartøjet sporingssignalet til jordstationen, eller det kunne modtage signalet sendt af jordstationen og foretage sporingsmåling om bord. Med andre ord kan traditionel tovejssporing erstattes med envej, målt enten på jorden eller ombord på rumfartøjet.

Så hvad betyder det for dyb rumnavigation? Stort set er envejssporing mere fleksibel, skalerbar (da det kunne understøtte flere missioner uden at bygge nye antenner) og muliggør nye måder at navigere på.

DSAC muliggør næste generation af deep space tracking. Billede via Jet Propulsion Laboratory

DSAC fremmer os ud over, hvad der er muligt i dag

The Deep Space Atomic Clock har potentialet til at løse en masse af vores aktuelle rumnavigationsudfordringer.

• Steder som Mars er "overfyldte" med mange rumfartøjer: Lige nu er der fem kredsløb, der konkurrerer om radiosporing. To-vejssporing kræver rumfartøjer for at ”dele tid” ressourcen. Men med envejssporing kunne Deep Space Network understøtte mange rumfartøjer samtidig uden at udvide netværket. Alt det, der er behov for, er rumfartøjsradioer, der er koblet med DSAC.

• Med det eksisterende Deep Space Network kan envejssporing udføres ved et højere frekvensbånd end nuværende tovejs. Dette forbedrer præcisionen af ​​sporingsdataene med opadtil 10 gange og frembringer områdemængdemålinger med kun 0,01 mm / sek fejl.

• Envejs uplink-transmissioner fra Deep Space Network er meget kraftfuld. De kan modtages af mindre rumfartøjsantenner med større synsfelter end de typiske højtydende, fokuserede antenner, der bruges i dag til tovejssporing. Denne ændring gør det muligt for missionen at udføre videnskab og efterforskningsaktiviteter uden afbrydelse, mens den stadig indsamler data med høj præcision til navigation og videnskab. Som et eksempel kan anvendelse af envejsdata med DSAC til bestemmelse af tyngdekraftsfeltet i Europa, en iskald måne af Jupiter, opnås i en tredjedel af tiden, det ville tage ved hjælp af traditionelle tovejsmetoder med den flyby-mission, der i øjeblikket er under udvikling af NASA.

• Indsamling af envejsdata med høj præcision ombord på et rumfartøj betyder, at dataene er tilgængelige til realtidsnavigation. I modsætning til tovejssporing er der ingen forsinkelse med jordbaseret dataindsamling og -behandling. Denne type navigation kan være afgørende for robotundersøgelser; det ville forbedre nøjagtigheden og pålideligheden under kritiske begivenheder - for eksempel når et rumfartøj indsætter i kredsløb omkring en planet. Det er også vigtigt for menneskelig efterforskning, når astronauter har brug for nøjagtige oplysninger i realtid om bane for sikkert at navigere til fjerne solsystemdestinationer.

Den næste Mars Orbiter (NeMO), der i øjeblikket er i konceptudvikling af NASA, er en mission, der potentielt kunne drage fordel af den envejs radionavigation og videnskab, som DSAC ville muliggøre. Billede via NASA

Nedtælling til DSAC-lancering

DSAC-missionen er en hostet nyttelast på rumfartøjet Surrey Satellite Technology Orbital Test Bed. Sammen med DSAC-demonstrationsenheden kommer en ultra stabil kvartsoscillator og en GPS-modtager med antenne ind i jordbane med lav højde, når de først blev lanceret via en SpaceX Falcon Heavy raket i begyndelsen af ​​2017.

Mens det er på kredsløb, måles DSACs pladsbaserede ydelse i en årelang demonstration, hvori Global Positioning System-sporingsdata vil blive brugt til at bestemme nøjagtige estimater af OTB's bane og DSACs stabilitet. Vi kører også et omhyggeligt designet eksperiment for at bekræfte, at DSAC-baserede kredsløbestimater er så nøjagtige eller bedre end dem, der bestemmes ud fra traditionelle tovejsdata. Dette er, hvordan vi validerer DSACs værktøj til en-vejs radionavigation i dyb rum.

I slutningen af ​​1700-tallet blev sejladsen i det åbne hav for evigt ændret af John Harrison's udvikling af H4 "havvagt." H4's stabilitet gjorde det muligt for søfolk at bestemme længdegrad nøjagtigt og pålideligt, som indtil da havde undgået søfarende i tusinder af år. I dag kræver udforskning af dybt rum kørselsafstande, der er størrelsesordrer større end længden af ​​oceanerne, og kræver værktøjer med stadig mere præcision for sikker navigation. DSAC er klar til at svare på denne udfordring.

Todd Ely, hovedundersøger på Deep Space Atomic Clock Technology Demonstration Mission, Jet Propulsion Laboratory, NASA