在月球上使用 GPS?NASA:我们正在搞!

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如果你开车从波特兰前往默塞德,那么你大概会依靠 GPS 来确认自己的位置。但是,如果你是驾驶月球车从风暴洋(Oceanus Procellarum)前往静海(Sea of Tranquility),你该如何确认自己的位置呢?实际上,GPS 应该还能帮到你,前提是美国宇航局(NASA)的一项研究能够取得成果。

在太空旅行中,确切地知道自己位置,呃,是相对于其他天体的位置,绝对是一个非常重要的问题。幸运的是,恒星的位置是相对固定的,通过对它们以及其他已知地标进行三角测量,太空飞船就能非常精确地确认自己的位置。

不过,三角测量法很费力!在地球上,我们很多年前就弃用这种方法了。现在,我们依赖(或许是太过依赖)GPS 来确认自己的位置,精度可达几米之内。

通过制造我们自己位置相对固定的 “恒星”——即地球同步轨道上的卫星——并不断发出确知信号,我们得以让设备快速对那些信号进行采样,并迅速定位自己的位置。

如果我们能够在月球上这样做,那肯定非常方便。不过,GPS 系统要求超精确的时钟和信号测量,地球跟月球之间 38 万公里的距离会对此产生很大的影响。然而,从理论上来说,没有任何东西阻止我们在月球上检测 GPS 信号——事实上,在几年前的磁层多尺度探测任务(简称 MMS)中,美国宇航局已经在将近地月距离一半的太空中做过这件事。

“美国宇航局多年来一直在推进高空 GPS 技术。”MMS 系统架构师卢克·温特尼茨(Luke Winternitz)在美国宇航局的一份新闻稿中表示,“在月球上使用 GPS 是下一个前沿课题。”

当然,登月的宇航员没法拿出手机来查看自己的位置。我们使用的设备经过校准,可以接收和计算来自地球同步轨道卫星发出的信号,但这一切需要在一定距离范围内进行。信号从地球同步轨道到达我们的设备,时间仅需几分之一秒;但如果我们身在月球附近,那么信号传输则可能需要整整一秒半。这听起来似乎时间不长,但它会从根本上影响我们构建接收和处理系统的方式。

Cutting Edge magazine – NavCube

这正是美国宇航局戈达德太空飞行中心(Goddard)的团队正在努力解决的问题,他们研发了一种使用特殊高增益天线的新型导航计算机以及一种超精确的时钟,并且对早期的 NavCube 太空 GPS 系统以及我们手机里都有的地面 GPS 系统做了改进。

这里的想法是,在使用 GPS 时不再依赖美国宇航局由地面和卫星测量系统组成的网络,因为那些系统必须跟太空飞船交换数据,从而消耗宝贵的带宽和算力。解放那些系统可以让它们去完成其他任务,并让更多 GPS 卫星的通信专门用于科研和其他高优先级的传输任务。

该团队希望在今年年底前把适用于月球的 NavCube 硬件做出来,然后利用一次登月任务尽快对其进行测试。幸运的是,随着阿尔忒弥斯(Artemis)登月计划被提上日程,看起来他们不会找不到机会。

图片来源:Bryce Durbin / TechCrunch

翻译:王灿均(@何无鱼

GPS on the Moon? NASA’s working on it