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在月球上竟能用“蹭”到的GPS信號(hào)導(dǎo)航? NASA科學(xué)家進(jìn)行“月球?qū)Ш健彬?yàn)證

科技日?qǐng)?bào) | 2020-03-31 14:28:34

美國太空網(wǎng)等媒體近日發(fā)布消息稱,為實(shí)現(xiàn)重返月球的目標(biāo),美國國家航空航天局(NASA)科學(xué)家開始進(jìn)行“月球?qū)Ш?rdquo;驗(yàn)證。他們表示目前地球軌道上的GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào),在月球上可以接收使用,定位精度能達(dá)到200米至300米。

在月球上竟能用“蹭”到的GPS信號(hào)導(dǎo)航?中國航天科工集團(tuán)二院研究員楊宇光對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者表示:“這個(gè)方法行得通。”

地球?qū)Ш叫l(wèi)星信號(hào)能讓月球“沾光”

眾所周知,導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)波束都是朝向地球發(fā)射的,想在月球上接收到導(dǎo)航信號(hào),前提是衛(wèi)星、地球、月球三者的位置關(guān)系滿足一定要求。

不妨想象一幅畫面:假設(shè)導(dǎo)航衛(wèi)星是一盞燈,從地球“前面”發(fā)出圓錐形的光束照向地球,那么當(dāng)月球運(yùn)行到地球“斜后方”一定位置時(shí),就能被漏過來的光線照到。

楊宇光表示,導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)主波束正是這樣一個(gè)圓錐形,不僅能覆蓋地球,而且范圍還稍寬一點(diǎn)。地球擋不住的信號(hào),就能讓月球“沾光”。

GPS星座由24顆衛(wèi)星組成,它們均勻分布在6個(gè)軌道面,在距離地面20200公里高度的中圓軌道上飛行。應(yīng)該說,能把信號(hào)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(dǎo)航。

大家在生活中使用導(dǎo)航軟件時(shí)都知道,要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位,對(duì)能接收到信號(hào)的導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)量有要求,通常至少需要4顆以上衛(wèi)星。楊宇光說,在航天器定位概念中,這種通過接收多顆衛(wèi)星信號(hào)實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)“蹭”到4顆GPS衛(wèi)星信號(hào),這就需要采用另一種定位方式——動(dòng)力學(xué)定軌。楊宇光說,比如月球航天器在1點(diǎn)鐘收到了A衛(wèi)星的信號(hào),2點(diǎn)收到B衛(wèi)星信號(hào),3點(diǎn)收到C衛(wèi)星信號(hào)……它不可能實(shí)現(xiàn)幾何定軌,但可以通過在一段時(shí)間內(nèi),收到幾顆衛(wèi)星在某個(gè)弧段發(fā)來的數(shù)據(jù),最終計(jì)算出自己的軌道。只不過這種方式花費(fèi)的時(shí)間較長。

此外,月球?qū)Ш矫媾R的核心問題是接收信號(hào)的強(qiáng)度。楊宇光說,GPS衛(wèi)星距地球2萬公里,再到月球,距離可能達(dá)到40萬公里左右,信號(hào)已經(jīng)十分微弱。因此月球探測器上接收信號(hào)的天線有多大尺寸成為關(guān)鍵。要具備更強(qiáng)的信號(hào)接收能力,就需要大天線,但從航天器研制、發(fā)射角度來說,卻希望天線越小越好,其中存在矛盾。

不過他認(rèn)為,這并非無法攻克的技術(shù)難題,只是要多付出一些代價(jià)。

專家建議打造“月球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”

事實(shí)上,自從人類開展航天活動(dòng)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(dòng)為例,美國阿波羅任務(wù)主要是基于地面的測控進(jìn)行導(dǎo)航定位。我國的嫦娥任務(wù),也是通過地面測控定位,結(jié)合紫外月球敏感器以及其他傳感器實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)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(jì)前主要服務(wù)于政治轉(zhuǎn)向開發(fā)月球資源,因此探月活動(dòng)將更為復(fù)雜。例如NASA正在為宇航員重返月球做準(zhǔn)備,其前期任務(wù)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(fā)送的登月車、補(bǔ)給車、鉆井等設(shè)備會(huì)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(dǎo)航的原因。

記者了解到,其實(shí)不光NASA,多國航天專家都在開展月球?qū)Ш窖芯?。楊宇光認(rèn)為,未來實(shí)現(xiàn)這一目的最直接有效的途徑,是各國合力在近月空間建設(shè)時(shí)空基準(zhǔn),具備定位、授時(shí)功能。簡言之,就是打造一套“月球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)”。

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

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深空原子鐘:讓航天器自主導(dǎo)航

普通的導(dǎo)航儀讓駕駛者隨時(shí)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(dǎo)航器提供信息進(jìn)行導(dǎo)航。具體來說, 地面天線通過雙向中繼系統(tǒng)向航天器發(fā)送信號(hào),然后航天器把信號(hào)發(fā)射回來。通過測量信號(hào)的往返時(shí)間,地面原子鐘可以幫助確定航天器的位置。這種導(dǎo)航方法意味著,無論太空探索任務(wù)在太陽系中行進(jìn)至何處,航天器仍然像一只被拴在地球上的風(fēng)箏,等待來自地球的行進(jìn)指令,才能繼續(xù)前行。

而且這種導(dǎo)航方式還面臨一個(gè)問題——離地球越遠(yuǎn)信號(hào)來回的時(shí)間越長,從幾分鐘至幾小時(shí)不等。以火星任務(wù)為例,信號(hào)來回需要40分鐘。來自地球的導(dǎo)航數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間很長,會(huì)對(duì)導(dǎo)航準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響。即使一秒的誤差也可能意味著肩負(fù)登陸火星任務(wù)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(jìn)了深空原子鐘的試驗(yàn),目前深空原子鐘已經(jīng)搭乘“獵鷹”重型火箭進(jìn)入太空。據(jù)悉,NASA的深空原子鐘對(duì)每一秒計(jì)量的一致程度大約是GPS衛(wèi)星上原子鐘的50倍——也就是每1000萬年才會(huì)出現(xiàn)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(jì)時(shí),而目前地球GPS衛(wèi)星上的原子鐘則使用中性的銣原子來計(jì)時(shí)。由于深空原子鐘內(nèi)部的汞原子帶有電荷,它們會(huì)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(nèi)部的這種相互作用會(huì)導(dǎo)致銣原子失去節(jié)奏。

有了深空原子鐘,航天器將用其來測量追蹤信號(hào)從地球抵達(dá)飛船所需的時(shí)間,而無需將信號(hào)發(fā)回地面的原子鐘進(jìn)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(dǎo)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(dòng),更及時(shí)地對(duì)意外情況作出反應(yīng)。

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