为什么说每一纳秒都很重要？原子钟1纳秒误差，将会产生1米偏差

越远离地球的航天器，就越依赖于与地球上的地面站通信来确定位置和目的地。美国国家航空航天局（NASA）的深空原子钟，正在努力给予这些远离地球的航天器更多导航自主权。在新发表在《自然》期刊上的一篇新研究论文中，该任务报告了在提高天基原子钟，在很长一段时间内精确一致测量时间能力方面取得的进展。其稳定性还会影响帮助人们在地球上导航的GPS卫星运行，因此这项研究也有可能增加下一代GPS航天器的自主性。

为了计算遥远宇宙飞船的轨道，工程师们从宇宙飞船向地球发送信号，然后再返回。在地面上使用冰箱大小的原子钟来记录这些信号的时间，这对于精确测量航天器位置是必不可少的。但对于如火星或更远目的地的航天器来说，等待信号耗时会增加到几十分钟甚至几个小时。如果这些航天器携带原子钟，则可以计算出自己的位置和方向，但这些钟必须高度稳定。GPS卫星携带的原子钟可以帮助我们到达地球上的目的地，但这些原子钟需要每天更新几次才能保持必要的稳定性。

而更遥远的深空任务将需要更稳定的天基时钟。深空原子钟由美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室管理，自2019年6月以来一直在通用原子公司的轨道试验台航天器上运行。新研究报告表明，任务团队在太空中创造了原子钟长期稳定性的新纪录，达到了目前天基原子钟稳定性的10倍以上，包括GPS卫星上的原子钟。

每一纳秒都很重要

所有原子钟都有一定程度的不稳定性，这会导致时钟的时间相对于实际时间产生偏差。如果不进行校正，偏移量虽然很小，但会迅速增加，而且随着航天器的导航，即使是很小的偏移量也可能产生巨大影响。深空原子钟任务的关键目标之一是：测量时钟在更长时间内的稳定性，看看它是如何随着时间的变化而变化。在这篇新论文中，研究小组报告了一种稳定水平，在运行20多天后，时间偏差不到4纳秒。

研究的合著者、喷气推进实验室(JPL)原子钟物理学家埃里克·伯特(Eric Burt)说：一般来说，1纳秒的时间不确定度（误差）相当于1米的距离不确定度。一些GPS时钟必须一天更新几次才能保持这样的稳定性，这意味着GPS高度依赖于与地面的通信。深空原子钟将这一时间推迟到一周或更长时间，因此有可能给予GPS这样的应用更多自主权。这篇新研究报告的稳定性和时间延迟大约是该团队在2020年春季报告结果的五倍。

这并不代表时钟本身的改进，而是团队对时钟稳定性的测量。更长运行周期和几乎一整年的额外数据使得提高它们的测量精度成为可能。深空原子钟任务将于今年8月结束，但NASA宣布，这项技术的工作仍在继续：深空原子钟-2是尖端计时器的改进版本，将执行VERITAS（金星发射率、射电科学、InSAR、地形和光谱）任务。像它的前身一样，新的太空时钟是一种技术展示，这意味着它的目标是通过开发目前还不存在的仪器、硬件、软件等来提高太空能力。

由喷气推进实验室建造，由美国宇航局空间技术任务局(STMD)资助，利用这项技术产生的超精确时钟信号可以帮助实现航天器自主导航，并增强未来任务中的无线电科学观测。喷气推进实验室的深空原子钟首席研究员兼项目经理托德·伊利说：NASA在VERITAS上选择了深空原子钟-2，这说明了这项技术的前景，在Veritas上，我们的目标是测试下一代太空时钟的应用，展示其在深空导航和科学方面的潜力。

博科园｜研究/来自：喷气推进实验室

研究发表期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-021-03571-7

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