美國太空網等媒體近日發布消息稱,為實現重返月球的目標,美國國家航空航天局(NASA)科學家開始進行“月球導航”驗證。他們表示目前地球軌道上的GPS衛星發射的信號,在月球上可以接收使用,定位精度能達到2..." />
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在月球上“蹭”GPS 總共分幾步?
2020-03-31 00:03
來源:科技日報
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  美國太空網等媒體近日發布消息稱,為實現重返月球的目標,美國國家航空航天局(NASA)科學家開始進行“月球導航”驗證。他們表示目前地球軌道上的GPS衛星發射的信號,在月球上可以接收使用,定位精度能達到200米至300米。

  在月球上竟能用“蹭”到的GPS信號導航?中國航天科工集團二院研究員楊宇光對科技日報記者表示:“這個方法行得通。”

  地球導航衛星信號能讓月球“沾光”

  眾所周知,導航衛星的信號波束都是朝向地球發射的,想在月球上接收到導航信號,前提是衛星、地球、月球三者的位置關系滿足一定要求。

  不妨想象一幅畫面:假設導航衛星是一盞燈,從地球“前面”發出圓錐形的光束照向地球,那么當月球運行到地球“斜后方”一定位置時,就能被漏過來的光線照到。

  楊宇光表示,導航衛星的信號主波束正是這樣一個圓錐形,不僅能覆蓋地球,而且范圍還稍寬一點。地球擋不住的信號,就能讓月球“沾光”。

  GPS星座由24顆衛星組成,它們均勻分布在6個軌道面,在距離地面20200公里高度的中圓軌道上飛行。應該說,能把信號傳向月球的概率并不低,但可能不足以支持月球上的探測器像在地球一樣導航。

  大家在生活中使用導航軟件時都知道,要實現準確定位,對能接收到信號的導航衛星數量有要求,通常至少需要4顆以上衛星。楊宇光說,在航天器定位概念中,這種通過接收多顆衛星信號實時計算自己位置的方式被稱作幾何定軌。

  而月球上的航天器顯然無法保證能同時“蹭”到4顆GPS衛星信號,這就需要采用另一種定位方式——動力學定軌。楊宇光說,比如月球航天器在1點鐘收到了A衛星的信號,2點收到B衛星信號,3點收到C衛星信號……它不可能實現幾何定軌,但可以通過在一段時間內,收到幾顆衛星在某個弧段發來的數據,最終計算出自己的軌道。只不過這種方式花費的時間較長。

  此外,月球導航面臨的核心問題是接收信號的強度。楊宇光說,GPS衛星距地球2萬公里,再到月球,距離可能達到40萬公里左右,信號已經十分微弱。因此月球探測器上接收信號的天線有多大尺寸成為關鍵。要具備更強的信號接收能力,就需要大天線,但從航天器研制、發射角度來說,卻希望天線越小越好,其中存在矛盾。

  不過他認為,這并非無法攻克的技術難題,只是要多付出一些代價。

  專家建議打造“月球導航衛星系統”

  事實上,自從人類開展航天活動以來,航天器的測軌、定位就必不可少。

  楊宇光介紹說,以探月活動為例,美國阿波羅任務主要是基于地面的測控進行導航定位。我國的嫦娥任務,也是通過地面測控定位,結合紫外月球敏感器以及其他傳感器實現組合導航。這樣的方式定位精度并不高,但可以滿足繞月或落月過程的需要。

  近年來,人類重燃探月熱情,其目的也由半世紀前主要服務于政治轉向開發月球資源,因此探月活動將更為復雜。例如NASA正在為宇航員重返月球做準備,其前期任務包括在月球南極附近的火山口中開采冰層,獲取水用于生活并分解為燃料所需的氫和氧。未來NASA宇航員還要與前期發送的登月車、補給車、鉆井等設備會合。這都需要具備較為精確的定位能力,這也正是他們希望利用GPS導航的原因。

  記者了解到,其實不光NASA,多國航天專家都在開展月球導航研究。楊宇光認為,未來實現這一目的最直接有效的途徑,是各國合力在近月空間建設時空基準,具備定位、授時功能。簡言之,就是打造一套“月球導航衛星系統”。

  他說,截至目前,人類在探月活動中使用的導航定位手段效果都不是很好,有的代價也很大,很難滿足未來的月球開發需要。如果未來能在月球附近,例如地月拉格朗日1點、2點、月球兩極以及繞月軌道等位置部署幾顆導航衛星,就能夠為環月飛行器和月球著陸器等提供精確的位置、速度信息和時間基準,從而讓探月活動更加安全、便捷。這也將是未來月球基地建設的重要組成部分。

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  深空原子鐘:讓航天器自主導航

  普通的導航儀讓駕駛者隨時知道自己所在方位和車速。在太空中飛行的太空船、探測器也需要這樣的信息。

  目前這些太空飛行器依賴地球上的導航器提供信息進行導航。具體來說, 地面天線通過雙向中繼系統向航天器發送信號,然后航天器把信號發射回來。通過測量信號的往返時間,地面原子鐘可以幫助確定航天器的位置。這種導航方法意味著,無論太空探索任務在太陽系中行進至何處,航天器仍然像一只被拴在地球上的風箏,等待來自地球的行進指令,才能繼續前行。

  而且這種導航方式還面臨一個問題——離地球越遠信號來回的時間越長,從幾分鐘至幾小時不等。以火星任務為例,信號來回需要40分鐘。來自地球的導航數據傳輸時間很長,會對導航準確性產生不利影響。即使一秒的誤差也可能意味著肩負登陸火星任務的航天器將從十幾萬公里的地方掠過火星。

  為此,美國國家航空航天局(NASA)推進了深空原子鐘的試驗,目前深空原子鐘已經搭乘“獵鷹”重型火箭進入太空。據悉,NASA的深空原子鐘對每一秒計量的一致程度大約是GPS衛星上原子鐘的50倍——也就是每1000萬年才會出現1秒鐘的偏差。這種新的原子鐘利用帶電的汞原子或離子來計時,而目前地球GPS衛星上的原子鐘則使用中性的銣原子來計時。由于深空原子鐘內部的汞原子帶有電荷,它們會被困在電場中,因而無法與其容器壁相互作用;相比之下,GPS原子鐘內部的這種相互作用會導致銣原子失去節奏。

  有了深空原子鐘,航天器將用其來測量追蹤信號從地球抵達飛船所需的時間,而無需將信號發回地面的原子鐘進行測量,這將使航天器能夠判斷自己的軌道。

  能自我定位、自主導航的航天器可以使宇航員在不需要接收地球指令的情況下,自行穿越太陽系。由于航天器能自我定位,宇航員就可以更加靈活地開展行動,更及時地對意外情況作出反應。


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