Warum ist der Weltraum-Atomuhr Schlüssel für zukünftige Weltraumforschung

Geschwindigkeit und Zeit sagen uns Distanz

Grundlegend für diese präzise Messungen sind Atomuhren. Durch die Messung sehr stabiler und präzise Frequenzen des Lichts, das durch bestimmte Atome (Beispiele sind Wasserstoff, Cäsium, Rubidium und für DSAC, Quecksilber), eine Atomuhr regulieren kann die Zeit von einer traditionellen mechanischen (Bergkristall) Uhr gehalten. Es ist wie eine Stimmgabel für die Zeitmessung. Das Ergebnis ist eine Uhrensystem, die über Jahrzehnte extrem stabil sein kann.

Die Präzision des Deep Space Atomuhr stützt sich auf eine inhärente Eigenschaft von Quecksilber-Ionen – sie Übergang zwischen benachbarten Energieniveaus bei einer Frequenz von genau 40.5073479968 GHz. DSAC verwendet diese Eigenschaft, um den Fehler in einer Quarzuhr "Tickrate" und mit dieser Messung messen "es zu einem stabilen Preis lenkt". DSAC die daraus resultierende Stabilität ist auf Augenhöhe mit bodengebundenen Atomuhren, gewinnen oder verlieren weniger als einer Mikrosekunde pro Jahrzehnt.

Weiterbildung mit der Mars-Orbiter-Beispiel, bodengestützte Atomuhren der Deep Space Network Fehler Beitrag auf dem Orbiter bidirektionale Leuchtzeit Messung liegt im Bereich von Pikosekunden, trägt nur Bruchteile eines Meters, die Gesamtfehlerquote Abstand. Ebenso ist die Uhren-Beitrag auf Fehler in der Orbiter Geschwindigkeitsmessung einen winzigen Bruchteil der globalen Fehler (1 Mikrometer/SEK von 0,1 mm/s insgesamt).

Die Entfernung und Geschwindigkeit Messungen sind von den Bodenstationen gesammelt und an Teams von Seefahrern, die Verarbeitung der Daten mit raffinierten Computermodellen der Raumsonde Bewegung. Sie berechnen eine optimale Flugbahn, die für eine Mars-Orbiter in der Regel mit einer Genauigkeit von 10 Metern (etwa die Länge eines Schulbusses ist).

Senden einer Atomuhr, Weltraum

Die Boden-Uhren verwendet für diese Messungen sind so groß wie ein Kühlschrank und in streng kontrollierten Umgebungen – definitiv nicht geeignet für bemannte Raumfahrt betreiben. Im Vergleich, DSAC, ist auch in seiner aktuellen Prototyp Form wie oben gesehen etwa so groß wie ein vier-Slice Toaster. Standardmäßig ist es in der Lage, auch in dem dynamischen Umfeld an Bord ein Weltraum-Erforschung Handwerk betreiben.

Ein Schlüssel zur Verringerung der Gesamtgröße des DSAC war die Quecksilber-Ionenfallen Miniaturisierung. In der Abbildung oben gezeigt, ist es ca. 15 cm (6 Zoll) in der Länge. Die Falle beschränkt sich das Plasma der Quecksilber-Ionen mit Hilfe elektrischer Felder. Dann, durch die Anwendung der Magnetfelder und externe Abschirmung, bieten wir ein stabiles Umfeld, wo die Ionen minimal Temperatur oder magnetische Schwankungen betroffen sind. Dieser stabile Umgebung ermöglicht die Ionen Übergang zwischen Energiezuständen sehr genau messen.

Die DSAC Technologie verbraucht nicht wirklich etwas anderes als macht. All diese Merkmale bedeuten zusammen entwickeln wir eine Uhr, die für sehr lange Dauer Weltraummissionen geeignet ist.

Weil DSAC so stabil wie seine Gegenstücke Boden, verfolgen Raumschiff, die tragen DSAC nicht drehen Signale rund um bidirektionale bekommen müssten. Stattdessen das Raumfahrzeug könnte die Tracking-Signal an die Bodenstation senden oder es kann empfangen das Signal von der Bodenstation gesendet und die Tracking-Messung an Bord. In anderen Worten, kann herkömmlichen zwei-Wege-Tracking mit One-way, ersetzt werden auf dem Boden oder an Bord der Sonde gemessen.

Was bedeutet dies für die Weltraum-Navigation? Im großen und ganzen One-Way-Tracking ist flexibler, skalierbarer (da es mehr Missionen unterstützen könnte, ohne den Bau von neuer Antennen) und ermöglicht neue Möglichkeiten zur Navigation.

DSAC Vorschüsse uns darüber hinaus, was heute möglich ist

Der Deep Space-Atomuhr hat das Potenzial, ein paar unserer aktuellen Raum Navigation Herausforderungen zu lösen.

• Orte wie Mars "überfüllt" mit vielen Raumschiff sind: gerade jetzt, es gibt fünf Orbitern konkurrieren für Radio verfolgen. Zwei-Wege-Tracking erfordert Raumschiff, um die Ressource "Time-Sharing". Aber mit One-Way-Tracking, Deep Space Network konnte unterstützen viele Raumschiffe gleichzeitig ohne Ausbau des Netzes. Alles, die was nötig ist, sind in der Lage, Raumschiff Radios gepaart mit DSAC.

• Mit den vorhandenen Deep Space Network kann auf eine höhere Frequenz Band als aktuelle zwei-Wege-One-Way-Tracking durchgeführt werden. Damit verbessert die Genauigkeit der die Tracking-Daten von ab 10 Mal produziert Bereich Messungen mit nur 0,01 mm/Sek. Fehler.

Countdown bis zum Start der DSAC

Die DSAC Mission ist eine gehostete Nutzlast auf die Surrey Satellite Technology Orbital Test Bed-Sonde. Zusammen mit der DSAC Demonstrationsgerät werden einen extrem stabilen Quarzoszillator und einen GPS-Empfänger mit Antenne Tiefflug Erdumlaufbahn einmal über eine SpaceX Falcon Heavy Rakete gestartet Anfang 2017 eingeben.

Während es auf Umlaufbahn, wird DSACs weltraumgestützten Leistung in einer einjährigen Demonstration gemessen werden, während dem Global Positioning System tracking-Daten verwendet wird, um genaue Schätzungen der OTB Umlaufbahn und DSACs Stabilität zu bestimmen. Wir werden auch laufen eine sorgfältig gestaltete Experiment bestätigen Umlaufbahn DSAC basierende Schätzungen so präzise oder besser als die aus herkömmlichen zwei-Wege-Daten ermittelt werden. Dies ist, wie wir DSAC Dienstprogramm für die Deep Space One-Way-Radionavigation überprüfen werde.

In den späten 1700er wurde hoher See navigieren durch John Harrisons Entwicklung der H4 "Sea Watch." verändert H4 Stabilität ermöglichte Seeleute, präzise und zuverlässig Längengrad, bestimmen, die bis dahin Seeleute seit Tausenden von Jahren entzogen hatte. Weltraum zu erforschen erfordert heute Reisen Abstände Größenordnungen größer als die Länge der Ozeane und Anforderungen Werkzeuge mit immer mehr Präzision für eine sichere Navigation. DSAC steht in den Startlöchern, um diese Herausforderung zu reagieren.

Todd Ely, Principal Investigator Deep Space Atomuhr Technology Demonstrationsmission, Jet Propulsion Laboratory, NASA

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