В 18 веке Британская империя активно расширяла свои границы, торговлю и влияние. Основным инструментом был флот — недаром эту маленькую островную страну называют Владычицей Морей. И в начале 18 века совершенствование навигации потребовало создания более точного метода определения местоположения кораблей. Парламент Великобритании назначил небывалую награду за решение это проблемы. Решением стало создание сверхточных (по тем временам) «морских» часов. Но история идёт по спирали: сегодня задачи освоения Солнечной системы требуют использования на космических аппаратах точнейших навигационных часов — атомных.

Время — один из важнейших параметров для прокладки курса и навигации. Зная свою скорость и прошедшее с начала движения время, мы можем вычислить, как далеко мы переместились, сколько осталось пройти/проехать/пролететь от пункта А до пункта Б. И чем точнее измерительные приборы, — в том числе и часы — тем точнее мы можем проложить курс, тем меньше вероятность ошибки. Это жизненно важно в ситуациях, когда расстояния между пунктами маршрута крайне велики, а ресурсы путешественников крайне ограничены и не позволяют блуждать в пространстве в поисках пункта назначения. Например, при путешествии с Земли на Марс.

Наиболее точные часы, созданные человечеством, — атомные часы. В их основе лежит идея отсчёта единиц времени с помощью определённого количества периодов колебания атомов различных веществ. Например, цезия, стронция, рубидия, водорода, кальция, йода и других химических элементов. Сегодня атомные часы используются, в основном, в системах спутниковой навигации и для управления космическими аппаратами. При этом во многих странах работают над повышением точности атомных часов, их компактности и устойчивости ко внешним воздействиям. Например, осенью 2016-го в российском Физическом институте был представлен прототип оптических атомных часов на основе атомов тулия, которые сегодня являются одними из самых точных в мире.

Но чем смелее мы думаем об освоении Солнечной системы, тем больше технических сложностей встаёт перед конструкторами инженерами. Одна из них — повышение точности навигации в космическом пространстве. Стоимость ошибки прокладки курса в данном случае ОЧЕНЬ велика даже при условии использования беспилотных зондов, не говоря уже о пилотируемых полётах на Марс и ещё дальше, к спутникам Юпитера и Сатурна.
Сегодня для космической навигации измеряется время прохождения радиосигнала между космическим аппаратом и центром управления. Зная скорость распространения радиоволн, можно определить расстояние, пройденное аппаратом, и его относительную скорость.

Дальний космос

Несколько лет назад в NASA начали разрабатывать компактные атомные часы для дальних космических экспедиций — Deep Space Atomic Clock (DSAC). Часы представляют собой модуль в форме параллелепипеда с размерами 29 х 27 х 23 см. Масса — 16 кг. Потребляемая мощность — 44 Вт. В DSAC используются атомы ртути, поэтому часы очень устойчивы к воздействию внешних магнитных полей и перепадам температур. Уровень точности часов — менее 1 микросекунды за 10 лет.



В марте 2017 года планируется запустить модуль в испытательный полёт на аппарате Orbital Test Bed. В течение года аппарат будет с высокой точностью определять высоту своей орбиты.

Зачем?

Но зачем нужны новые атомные часы, да ещё и для установки на космические аппараты, когда и при управлении с Земли достигается огромная точность измерений параметров полёта?

Возьмём практический пример: определение траектории спутника, вращающегося вокруг Марса. Расстояние от него до Земли в среднем составляет 225 млн км (минимум — 55,76 млн, максимум — 401 млн км). При такой дистанции радиосигнал идёт туда и обратно около 25 минут. И ключевой момент здесь — точность измерения времени. Сегодня атомные часы, используемые в наземных системах управления полётом, позволяют вычислить расстояние до космического аппарата с точностью меньше метра, а его скорость относительно ЦУП — с точностью меньше миллиметра в секунду. После двухдневного периода накопления данных можно определить траекторию движения аппарата вокруг Марса. И, при необходимости, скорректировать её.

Согласно данным Лаборатории реактивного движения NASA, которая разрабатывает DSAC, в течение двух дней наблюдений за спутником на орбите Марса накопленная погрешность измерения времени составляет несколько пикосекунд, что даёт суммарную ошибку измерения расстояния до аппарата в доли метра, а скорости — около 1 мкм/с. Собираемые статистические данные используются сложными алгоритмами расчёта траектории с погрешностью в пределах 10 метров.

Если же разместить атомные часы на космическом аппарате, то для вычисления параметров полёта не нужно каждый раз отправлять с Земли команду, чтобы аппарат откликнулся, замеряя время прохождения сигнала туда-обратно. Достаточно, чтобы бортовая система навигации сама периодически слала сигналы, либо сигналы могут в одностороннем порядке отправляться с Земли, а все вычисления параметров полёта будут выполняться на борту. То есть мы вдвое уменьшаем вычисляемые промежутки времени, а значит — и величину ошибки.

Помимо этого, по данным той же Лаборатории реактивного движения, можно будет перейти на более высокие частоты, что позволит повысить точность отслеживания на порядок, на столько же уменьшив величину ошибки.

Кроме того, с увеличением количества космических аппаратов, которыми нужно управлять с Земли, неизбежно возникнет проблема ограниченности ресурсов антенных комплексов. А если можно будет отправлять сигнал лишь в одну сторону, не дожидаясь отклика, то на существующих мощностях можно будет эффективно управлять вдвое большим количеством аппаратов.



Если аппарат будет рассчитан на одностороннюю передачу измерительного сигнала, то можно будет сэкономить на размере антенн, ведь их не нужно будет очень точно нацеливать на землю для отправки отклика. Более того, можно будет не тратить ценное время исследовательских зондов на сеансы отправки измерительных сигналов, посвятив его научным измерениям. А накопление навигационных данных на борту позволит использовать их в реальном времени для маневрирования и прокладки курса. Это особенно важно в тех случаях, когда критически важным становится время реакции. Например, при подлёте к планете роботизированного аппарата. Или, при движении по пересечённой местности робота-марсохода/лунохода/титанохода/европохода.



Даже в случае пилотируемых полётов астронавтам будет очень полезно иметь под рукой все данные об их траектории, чтобы можно было быстро проложить дальнейший курс в сложных условиях.

Что касается российской космонавтики, то у нас тоже работы не стоят на месте. В частности, в 2018 году планируется запустить первый спутник системы ГЛОНАСС с водородными атомными часами, которые на испытаниях продемонстрировали точность на уровне 1,8 микросекунды за 10 лет (0,5 пикосекунды за 12 часов).