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GPS 可用于月球定位,NASA 科学家经数学计算证实

发布时间: 2020-03-19 17:54   
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GPS 可用于月球定位,NASA 科学家经数学计算证实

雷锋网注:图源 NASA

自 1969 年 7 月 20 日人类第一次登月成功,人们对月球的探寻,从未停止过。

2019 年,NASA 月球勘测轨道飞行器(雷锋网(公众号:雷锋网)按:lunar Reconnaissance Orbiter,LRO)和信使号飞船勘测到,月球上隐藏着冰沉积物。NASA LRO项目科学家 Noah Petro 表示,如果得到证实,月球上这一潜在的冷冻水储备可能大到足以支持长期的月球探索。由此,人们开启了对月球冰沉积物的进一步探寻。

按照 NASA Artemis 计划,宇航员到达月球后,需要在南极附近的环形山中开采可以分解成氢和氧的冰沉积物。由此,科学家们需要将宇宙飞船、登陆舰、月球车、钻井设备、补给车辆等设备送到冰层开采的地方,而如何在月球实现定位,成为了亟待解决的难题。

对此,一些科学家提出设想:适用于地球的 GPS 系统,能否适用于月球,帮助宇航员登月?

在 2020 年 3 月 7 日举办的IEEE 航天航空会议上,美国宇航局喷气推进实验室的科学家张家铭和 Charles Lee 给出了肯定答案。经数学计算,地球附近现有的全球导航卫星的信号可以用于 385,000 公里外的月球轨道。

张家铭表示,目前正致力于卫星信号的运转,确保在未来几年有大量任务涌入之时,能够有基础设施对设备进行设置。

根据美国的全球定位系统、欧洲的伽利略和俄罗斯的GLONASS 系统(共涵盖了 81 颗卫星),张家铭和 Charles Lee 绘制了导航卫星的轨道。这些卫星大多有定向天线,其信号能够向地球表面发射,也能辐射到太空。研究人员表示,这些辐射到太空的信号能够被月球附近具有密集接收器的宇宙飞船读取。

据张家铭和 Charles Lee 团队计算,在月球轨道上的航天器能够在给定时间内读取到 5-13 颗卫星信号,足以精确地确定它在空间中的位置,误差在 200 到 300 米之间,且该团队还将在计算机模拟中不断提升精确度。

由于月球表面多环形山,且冰沉积物位于极地地区,导航信号容易被山丘、火山口边缘挡住,航天器获取卫星信号受到了限制。

为了解决这一问题,研究小组建议宇航员用距离最近的发射器作为参考点。另外,有科学家认为,宇航员可以同时使用两颗卫星充当定位信标,其中之一是位于月球高轨道上的新型中继卫星,另一个为 NASA 月球勘测轨道飞行器。

按照 Artemis 计划的标准,这个微型网络并不贵。中继卫星可以从现有的卫星设计中获得设计灵感,体积不大,可以在宇航员登月之前搭载在火箭上发射至月球。

不过,由于资金方面出现问题,Artemis 计划一直在变。为了让 Artemis 计划具有可行性,NASA 管理者寄希望于一个叫“Gateway”的月球轨道基站。但是,如果按照白宫的要求,科学家们需要在 2024 年之前将宇航员送至月球,而月球轨道基站 Gateway 的建成大概还需十年之久。

尽管如此,科学家们依然表示,不管登月计划最终结果如何,提前实现月球定位计划都是有用的。而对于计划能否实现,张家铭表示:

这是可以做到的,只是钱的问题。

雷锋网注:

文章编译自:https://spectrum.ieee.org/tech-talk/aerospace/satellites/can-astronauts-use-gps-to-navigate-on-the-moon-nasa-scientists-say-yes

Artemis 计划详情:https://www.nasa.gov/specials/artemis/