GPS 可用于月球定位，NASA 科學(xué)家經(jīng)數(shù)學(xué)計(jì)算證實(shí)

本文作者：肖漫

2020-03-19 17:54

導(dǎo)語(yǔ)：人們對(duì)月球的探尋，從未停止過(guò)。

雷鋒網(wǎng)注：圖源 NASA

自 1969 年 7 月 20 日人類第一次登月成功，人們對(duì)月球的探尋，從未停止過(guò)。

2019 年，NASA 月球勘測(cè)軌道飛行器（雷鋒網(wǎng)按：lunar Reconnaissance Orbiter， LRO）和信使號(hào)飛船勘測(cè)到，月球上隱藏著冰沉積物。NASA LRO項(xiàng)目科學(xué)家 Noah Petro 表示，如果得到證實(shí)，月球上這一潛在的冷凍水儲(chǔ)備可能大到足以支持長(zhǎng)期的月球探索。由此，人們開啟了對(duì)月球冰沉積物的進(jìn)一步探尋。

按照 NASA Artemis 計(jì)劃，宇航員到達(dá)月球后，需要在南極附近的環(huán)形山中開采可以分解成氫和氧的冰沉積物。由此，科學(xué)家們需要將宇宙飛船、登陸艦、月球車、鉆井設(shè)備、補(bǔ)給車輛等設(shè)備送到冰層開采的地方，而如何在月球?qū)崿F(xiàn)定位，成為了亟待解決的難題。

對(duì)此，一些科學(xué)家提出設(shè)想：適用于地球的 GPS 系統(tǒng)，能否適用于月球，幫助宇航員登月？

在 2020 年 3 月 7 日舉辦的 IEEE 航天航空會(huì)議上，美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家張家銘和 Charles Lee 給出了肯定答案。經(jīng)數(shù)學(xué)計(jì)算，地球附近現(xiàn)有的全球?qū)Ш叫l(wèi)星的信號(hào)可以用于 385,000 公里外的月球軌道。

張家銘表示，目前正致力于衛(wèi)星信號(hào)的運(yùn)轉(zhuǎn)，確保在未來(lái)幾年有大量任務(wù)涌入之時(shí)，能夠有基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。

根據(jù)美國(guó)的全球定位系統(tǒng)、歐洲的伽利略和俄羅斯的 GLONASS 系統(tǒng)（共涵蓋了 81 顆衛(wèi)星），張家銘和 Charles Lee 繪制了導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道。這些衛(wèi)星大多有定向天線，其信號(hào)能夠向地球表面發(fā)射，也能輻射到太空。研究人員表示，這些輻射到太空的信號(hào)能夠被月球附近具有密集接收器的宇宙飛船讀取。

據(jù)張家銘和 Charles Lee 團(tuán)隊(duì)計(jì)算，在月球軌道上的航天器能夠在給定時(shí)間內(nèi)讀取到 5-13 顆衛(wèi)星信號(hào)，足以精確地確定它在空間中的位置，誤差在 200 到 300 米之間，且該團(tuán)隊(duì)還將在計(jì)算機(jī)模擬中不斷提升精確度。

由于月球表面多環(huán)形山，且冰沉積物位于極地地區(qū)，導(dǎo)航信號(hào)容易被山丘、火山口邊緣擋住，航天器獲取衛(wèi)星信號(hào)受到了限制。

為了解決這一問(wèn)題，研究小組建議宇航員用距離最近的發(fā)射器作為參考點(diǎn)。另外，有科學(xué)家認(rèn)為，宇航員可以同時(shí)使用兩顆衛(wèi)星充當(dāng)定位信標(biāo)，其中之一是位于月球高軌道上的新型中繼衛(wèi)星，另一個(gè)為 NASA 月球勘測(cè)軌道飛行器。

按照 Artemis 計(jì)劃的標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)微型網(wǎng)絡(luò)并不貴。中繼衛(wèi)星可以從現(xiàn)有的衛(wèi)星設(shè)計(jì)中獲得設(shè)計(jì)靈感，體積不大，可以在宇航員登月之前搭載在火箭上發(fā)射至月球。

不過(guò)，由于資金方面出現(xiàn)問(wèn)題，Artemis 計(jì)劃一直在變。為了讓 Artemis 計(jì)劃具有可行性，NASA 管理者寄希望于一個(gè)叫“Gateway”的月球軌道基站。但是，如果按照白宮的要求，科學(xué)家們需要在 2024 年之前將宇航員送至月球，而月球軌道基站 Gateway 的建成大概還需十年之久。

盡管如此，科學(xué)家們依然表示，不管登月計(jì)劃最終結(jié)果如何，提前實(shí)現(xiàn)月球定位計(jì)劃都是有用的。而對(duì)于計(jì)劃能否實(shí)現(xiàn)，張家銘表示：