如何在太空中建设GPS系统?你需要精度高出50倍的深空原子钟


   2019-06-23 丨 科普 丨 nasachina  丨  No Comment 丨  196

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如何在太空中建设GPS系统?你需要精度高出50倍的深空原子钟

深空原子钟的漫画图像,这是NASA测试的一项新技术,它将改变人类在太阳系中导航的方式。这个精确的“计时器”定于6月下旬搭载SpaceX公司的猎鹰重型火箭,从佛罗里达州发射升空。
版权:NASA / JPL-Caltech

美国航空航天局(NASA)的导航研究员正在努力规划一个蓝图,让航天器可以自主而安全地飞向月球和火星等目的地。

现阶段,导航员只能在地球上计算航天器的位置,然后将位置数据通过双向中继系统(two-way relay system)发送到太空之中,以此来告诉航天器应该去哪里,而双向中继系统可能需要几分钟到几小时的时间来传送方向。这种导航方法意味着,无论太空探索任务在太阳系中行进至何处,我们的航天器仍然像一只被拴在地球上的风筝,等待来自地球的行进指令。

在未来,对人类登陆另一个星球的任务来说,这种限制是一个明显的掣肘。如果航天器上的宇航员无法即时控制前进的位置和方向,他们如何能够顺利地从地球远航呢?当通信延迟影响到他们调整进入星球大气轨道的速度时,他们又如何能够准确地降落在另一个星球上?

NASA的深空原子钟(Deep Space Atomic Clock)设备只有一台烤面包机那么大,它将为我们解决这些问题。这是第一款体积小、类似全球定位系统(Global Positioning System,GPS)的仪器,在航天器上飞行时稳定性足够强。这次的技术演示能让航天器知道自己的位置,而无需依赖来自地球的数据。6月下旬,SpaceX的猎鹰重型火箭(Falcon Heavy rocket)会将深空原子钟发射到地球轨道上,并在该轨道上待满一年的时间,测试它是否能够帮助航天器在太空中进行定位。

如果深空原子钟在太空中试验的这一年进展顺利,那么它就能为未来的单向导航打好基础。利用单向导航,宇航员可以通过一种类似GPS的系统在月球表面上进行导航,也可以安全地自主执行任务,前往火星以及更远的太空位置。

“每一个探索深空的航天器都由地球上的导航员引导。通过启用机载自主导航,或自动驾驶航天器,深空原子钟将改变这一状况。”副首席研究员吉尔•舒伯特(Jill Seubert)说道。

深空之中并不存在GPS

其实,太空中的原子钟并不是什么新鲜事物,我们所用的每个内置GPS的设备,例如智能手机,都是通过环绕地球的多颗卫星上的原子钟来确定位置的。已知位置的卫星从太空向地球发送信号,接收器通过测量信号到达GPS的时间长短来三角测量我们的具体位置。

如何在太空中建设GPS系统?你需要精度高出50倍的深空原子钟

深空原子钟是NASA JPL的一项新技术,或许能会改变飞船和探测器在太空中的导航方式。6月下旬,美国太空探索技术公司SpaceX猎鹰重型火箭将发射轨道试验床卫星(Orbital Test Bed satellite),对于地球之外其他世界里的自动驾驶航天器和类似GPS的导航系统,这种后续的技术演示可能是关键组成部分。
版权:通用原子能电磁系统公司

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