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在月球上“蹭”GPS 总共分几步?

日期:2022年06月18日

       太空网等媒体近日发布消息称, 为实现重返月球的目标, NASA科学家已开始进行月球导航验证。他们表示, 目前在地球轨道上的GPS卫星发出的信号可以在月球上接收和使用, 定位精度可以达到200到300米。您可以使用 GPS 信号在月球上导航吗?中国航天科工集团二院研究员杨玉光告诉科技日报记者:这个方法行得通。地球导航卫星信号可以让月球发光。众所周知, 导航卫星的信号波束都是朝着地球发射的。如果要在月球上接收导航信号, 前提是卫星与地球和月球的位置关系满足一定的要求。想象一个画面:假设导航卫星是一盏灯, 从地球正面向地球发射锥形光束, 那么当月球移动到地球斜后方的某个位置时, 它就会被泄漏的光照亮.杨宇光说, 导航卫星的信号主波束就是这样一个锥体, 不仅覆盖了地球, 而且范围也稍微宽了一些。地球无法阻挡的信号可以让月亮发光。 GPS星座由24颗卫星组成, 平均分布在6个轨道平面上, 在距地面20200公里的中圆轨道上飞行。应该说, 能够向月球发射信号的概率不低, 但可能不足以支持月球上的探测器像在地球上一样导航。大家都知道, 在生活中使用导航软件时,

要实现精准定位, 对可以接收信号的导航卫星的数量是有要求的, 通常至少需要 4 颗卫星。杨宇光表示, 在航天器定位的概念中, 这种通过接收多颗卫星的信号实时计算自身位置的方法, 称为几何定轨。但月球上的航天器显然不能保证能同时到达4颗GPS卫星的信号, 这就需要使用另一种定位方式进行动态定轨。杨宇光举例说, 月球飞船在1点钟接收到卫星A的信号, 在2点钟接收到卫星B的信号, 在3点钟接收到卫星C的信号。对几颗卫星在一定弧度内发送的数据, 最终计算出自己的轨道。但是这种方法需要更长的时间。此外, 月球导航面临的核心问题是接收信号的强度。杨宇光说, GPS卫星距离地球2万公里,

再到月球, 距离可能达到40万公里左右, 信号已经很微弱了。因此, 月球探测器上接收信号的天线尺寸成为关键。为了有更强的信号接收能力, 需要大天线, 但从航天器研制和发射的角度, 希望天线越小越好, 这是矛盾的。不过, 他认为这并不是一个无法克服的技术问题, 只是需要付出更多。
       专家建议建立月球导航卫星系统。事实上, 自从人类航天活动以来, 航天器的轨道测量和定位已经不可或缺。
       杨宇光说, 以探月活动为例, 美国的阿波罗任务主要是基于地面测控进行导航定位。我国嫦娥任务也是通过地面测控定位的。
       结合UV月球传感器等传感器实现综合导航。这种方法的定位精度不高, 但可以满足绕月或登陆月球过程的需要。近年来, 人类重新点燃了探月热情, 其宗旨也从半个世纪前的为政治服务转向开发月球资源, 因此探月活动将更加复杂。例如, 美国宇航局正在为宇航员重返月球做准备, 其早期任务包括在月球南极附近的陨石坑中开采冰, 以获取水生存和分解成燃料所需的氢和氧。未来, NASA宇航员还将与之前送来的月球车、补给车、钻探等设备会面。这需要比较好的定位能力, 这也是他们想要使用GPS导航的原因。记者了解到, 不仅美国宇航局, 许多国家的航天专家都在进行月球导航研究。杨宇光认为, 未来实现这一目标最直接、最有效的方式, 就是各国携手共建近月空间的时空标杆, 具有定位和授时功能。简而言之, 就是建设月球导航卫星系统。他说, 到目前为止, 人类在探月活动中使用的导航定位方式不是很有效, 有的还很昂贵, 难以满足未来月球开发的需要。如果未来能在月球附近部署几颗导航卫星, 比如地月拉格朗日的1点和2点, 月球的两极, 绕月轨道, 就可以为轨道飞行器和月球着陆器提供位置和速度。信息和时基, 使探月更安全、更方便。这也将是未来月球基地建设的重要组成部分.相关链接 深空原子钟:让航天器自主导航 普通导航器让驾驶员随时知道自己的位置和速度。在太空中飞行的宇宙飞船和探测器也需要这些信息。目前, 这些航天器依靠地球上的导航器来提供导航信息。具体来说, 地面天线通过双向中继系统向航天器发送信号, 航天器将信号发回。通过测量信号的往返时间, 地面原子钟可以帮助确定航天器的位置。这种导航方式意味着, 无论太空探索任务在太阳系的哪个地方进行, 航天器都像风筝一样拴在地球上, 等待地球的指示继续前进。而这种导航方式也面临一个问题, 离地球越远, 来回的信号就越长, 从几分钟到几小时不等。在火星任务的情况下, 信号来回需要 40 分钟。来自地球的导航数据传输时间过长会对导航精度产生不利影响。即使是一秒钟的错误也可能意味着执行火星任务的航天器将从数十万公里的距离掠过火星。为此, 美国国家航空航天局 (NASA) 推进了深空原子钟的测试, 该原子钟现已搭载猎鹰重型火箭进入太空。据悉, 美国宇航局的深空原子钟在每秒测量方面的一致性大约是 GPS 卫星上的原子钟的 50 倍, 即每 1000 万年出现 1 秒的偏差。
       这个新的原子钟使用带电的汞原子或离子来计时, 而目前的地球 GPS卫星上的原子钟使用中性铷原子来计时。由于深空原子钟内的汞原子带电, 它们被困在电场中, 无法与容器壁相互作用;相比之下, GPS原子钟内部的这种相互作用会导致铷原子失去节奏。借助深空原子钟,

航天器将使用它来测量跟踪信号从地球到达航天器所需的时间, 而无需将信号发送回地面原子钟进行测量, 这将使航天器能够确定自己的轨道。自定位、自主导航的航天器可以让宇航员自行穿越太阳系, 而无需接收来自地球的指令。由于航天器可以自行定位, 宇航员可以更灵活地操作, 更迅速地应对突发情况。

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