在月球上“蹭”GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào) 總共分幾步？

在月球上“蹭”GPS 總共分幾步？

未來(lái)月球或許將有自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

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?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(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。”

3月10日，廣西南寧市，“超級(jí)月亮”來(lái)臨之前，一輪圓月升起。據(jù)悉，當(dāng)天凌晨1時(shí)48分，月球、地球、太陽(yáng)近乎位于一條直線之上，迎來(lái)這輪“超級(jí)月亮”的最圓時(shí)刻。中新社記者 俞靖 攝

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(guò)來(lái)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(shuō)，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(shuō)，在航天器定位概念中，這種通過(guò)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(wú)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(shuō)，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(guò)在一段時(shí)間內(nèi)，收到幾顆衛(wèi)星在某個(gè)弧段發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，最終計(jì)算出自己的軌道。只不過(guò)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(wèn)題是接收信號(hào)的強(qiáng)度。楊宇光說(shuō)，GPS衛(wèi)星距地球2萬(wàn)公里，再到月球，距離可能達(dá)到40萬(wàn)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(lái)說(shuō)，卻希望天線越小越好，其中存在矛盾。

不過(guò)他認(rèn)為，這并非無(wú)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(lái)，航天器的測(cè)軌、定位就必不可少。

楊宇光介紹說(shuō)，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(guò)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(guò)程的需要。

近年來(lái)，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(lái)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(lái)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(shuō)，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(lái)的月球開發(fā)需要。如果未來(lái)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(lái)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(lái)說(shuō)， 地面天線通過(guò)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(lái)。通過(guò)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(wú)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(lái)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(wèn)題——離地球越遠(yuǎn)信號(hào)來(lái)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(lái)回需要40分鐘。來(lái)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(wàn)公里的地方掠過(guò)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(wàn)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(lái)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(lái)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(wú)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(lái)測(cè)量追蹤信號(hào)從地球抵達(dá)飛船所需的時(shí)間，而無(wú)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)。