在月球上“蹭”GPS 總共分幾步？
美國(guó)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(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）科學(xué)家開始進(jìn)行“月球?qū)Ш健彬?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(guó)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(cè)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——?jiǎng)恿W(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(zhǎng)。
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(cè)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(cè)軌、定位就必不可少。
楊宇光介紹說，以探月活動(dòng)為例，美國(guó)阿波羅任務(wù)主要是基于地面的測(cè)控進(jìn)行導(dǎo)航定位。我國(guó)的嫦娥任務(wù)，也是通過地面測(cè)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(guó)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(guó)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(jiǎn)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(cè)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(cè)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(yáng)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(zhǎng)，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(zhǎng)，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(guó)國(guó)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(yáng)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)。
