Hvordan bruges GPS i rumfart?

DONNER PARTY ANVÆRER I CALIFORNIEN, KRÆVER TILFÆRDIGT VEJR OG SIKKERE REJSER

Dette kunne have været en overskrift skrevet i efteråret 1846, hvis George og Jacob Donner havde adgang til Global Positioning System, en meget præcis navigationsteknologi, der er afhængig af signaler fra en række satellitter, der kredser omkring 12, 500 miles (20, 200 kilometer) over Jordens overflade [kilde:GPS.gov]. Desværre for brødrene Donner og deres skæbnesvangre band af pionerer, GPS ville kræve yderligere 100 års forskning og udvikling, lad dem finde vej til Californien ved hjælp af kompasser, kort og dårlige råd. Til sidst, deres lange rejse blev til et snoede mareridt. De blev snebundet i Sierra Nevada -bjergene, hvor mange i deres parti døde, før redningsmænd kunne nå dem i foråret.

Rumfartsopdagelsesrejsende kan opleve lignende tragedier, hvis de ikke kan finde en pålidelig metode til at orientere sig, når de rejser til fjerne planeter og, måske, fjerne stjerner. GPS virker som den logiske kandidat til sådanne bestræbelser, men systemet fungerer kun, hvis din rejse er begrænset til jordiske destinationer. Det er fordi de 24 satellitter, der udgør GPS -konstellationen, sender deres signaler mod Jorden. Hvis du befinder dig under satellitterne og har en modtager, der er i stand til at registrere signalerne, du kan pålideligt bestemme din placering. Cruising langs planetens overflade? Du er god til at gå. Flyver i lav-jord-bane (LEO)? Du er dækket. Venture over LEO, imidlertid, og din praktiske GPS -modtager befinder sig hurtigt over satellitkonstellationen og, som resultat, ikke længere kunne optage et signal. Sagt på en anden måde:GPS -satellitter sender kun ned, ikke op.

Det betyder ikke, at missioner til destinationer uden for Jorden skal flyve blinde. Nuværende navigationsteknikker bruger et netværk af jordbundne sporingsstationer, der kigger op og ud i rummet. Når en raket forlader vores planet til Mars, Jupiter eller derover, besætninger på jorden sender radiobølger fra sporingsstationerne ud til fartøjet. Disse bølger hopper af fartøjet og vender tilbage til jorden, hvor instrumenter måler den tid, det tog bølgerne at foretage rejsen og skiftet i frekvens forårsaget af Doppler -effekten. Ved hjælp af disse oplysninger, besætninger på jorden kan beregne rakettens position i rummet.

Forestil dig nu, at du vil rejse til solsystemets ydre områder. Når dit rumfartøj når Pluto, du bliver 3, 673, 500, 000 miles (5,9 milliarder kilometer) væk fra Jorden. Et radiosignal sendt af en sporingsstation ville tage 5,5 timer at nå dig og derefter yderligere 5,5 timer for at rejse tilbage (forudsat at bølgerne kørte med lysets hastighed), gør det vanskeligere at finde din nøjagtige placering. Rejs endnu længere, og nøjagtigheden af ​​jordbundne sporingssystemer falder endnu mere. Klart, en bedre løsning ville være at placere et navigationsinstrument på rumfartøjet, så det kunne beregne sin position uafhængigt. Det er der pulsar navigation , en innovation af NASAs Goddard Space Flight Center, kommer ind.

Navigering ved Neutron Stars

GPS bruger præcise målinger af tid til at foretage beregninger. Hver GPS -satellit indeholder et atomur, og dens tid er synkroniseret med en modtagers. En modtager kan beregne rækkevidden til satellitten ved at gange den tid, det tager satellitens signal at nå modtageren med signalets hastighed, som er lysets hastighed. Hvis det tager 0,07 sekunder for signalet fra en satellit at nå modtageren, så er satellitens rækkevidde 13, 020 miles (186, 000 miles i sekundet × 0,07 sekunder).

En raket kunne foretage lignende beregninger, hvis den kunne modtage tidssignaler udsendt af noget ude i rummet. Som heldet ville have det, universet indeholder mere end et par meget nøjagtige tidstællere. De er kendt som pulsarer - hurtigt roterende neutronstjerner, der udsender regelmæssige pulser af elektromagnetisk stråling. På et tidspunkt i sit liv, en pulsar levede stort og brændte lyst. Derefter brugte den sit atombrændstof og døde i en massiv eksplosion. Produktet af den eksplosion var en hurtigt roterende, stærkt magnetiseret objekt, hvis poler udsendte kraftige energistråler. Nu, som den døde stjerne snurrer, bjælkerne fejer rundt, meget gerne fyrtårnets fyrtårn. En observatør på Jorden kan ikke se selve stjernen, men han kan se lysets pulser, der kommer strømende gennem rummet.

Nogle pulsarer blinker til og fra hvert par sekunder; andre blinker langt hurtigere. På den ene eller anden måde, de pulser altid med en konstant frekvens, hvilket gør dem nyttige til at holde tiden. Faktisk, som tidtagningsudstyr, pulsarer konkurrerer med atomure med hensyn til deres præcision. I 1974, en forsker ved Jet Propulsion Laboratory - G.S. Downs - foreslog først tanken om at bruge pulsarer til at hjælpe rumfartøjer med at navigere gennem kosmos. Konceptet forblev på papir, fordi forskere stadig ikke vidste nok om de gådefulde stjerner, og fordi de eneste tilgængelige instrumenter til at opdage pulsarer - radioteleskoper - var enorme.

I årenes løb, feltet avancerede. Astronomer fortsatte med at opdage pulsarer og studere deres adfærd. I 1982, for eksempel, forskere opdagede de første millisekunder pulsarer, som har perioder på mindre end 20 millisekunder. Og i 1983, de fandt ud af, at visse millisekundspulsarer udsendte stærke røntgensignaler. Alt dette arbejde gjorde det muligt at flytte pulsar navigation fra papir til praksis.

Galaktisk GPS

Selvom den GPS, vi bruger på Jorden, ikke er nyttig til interplanetariske rejser, dens principper gælder for andre navigationssystemer. Faktisk, at bruge pulsarer til at orientere sig i solsystemet ligner jordbunden GPS på mange måder:

1. Først, ligesom en GPS -modtager triangulerer en position ved hjælp af data fra fire eller flere satellitter, du har brug for mere end en pulsar for at bestemme et objekts præcise placering i rummet. Heldigvis astronomer har opdaget mere end 2, 000 pulsarer gennem årene [kilde:Deng]. De bedste kandidater til navigation, imidlertid, er stabile pulsarer, der blinker til og fra i millisekundområdet, og som udsender stærke røntgensignaler. Selv med disse begrænsninger, der er en række muligheder tilbage. Nogle pulsarer under overvejelse omfatter J0437−4715, J1824−2452A, J1939+2134 og J2124−3358 [kilde:Deng].
2. Næste, du har brug for noget til at registrere de signaler, der udsendes af pulsarerne. Dette ville svare til GPS -modtageren, men den skulle være følsom over for røntgenstråling. En række observatorier har røntgenteleskoper, selvom de er alt for store til at binde til et rumfartøj. Den næste generation af detektorer, kendt som XNAV -modtagere , vil være meget mindre og let transporteres ud i rummet.
3. Endelig, du har brug for algoritmer til at foretage alle de relevante beregninger. Team af forskere har udarbejdet matematikken i flere år, ved hjælp af et komplekst sæt ligninger til at redegøre for variabler såsom pulsar -spin -uregelmæssigheder og virkningerne af eksterne fænomener - gravitationsbølger eller plasma - på bølgernes udbredelse. Selvom matematikken er udfordrende, grundtanken er den samme som jordbunden GPS:XNAV -modtageren ville registrere signaler fra fire eller flere pulsarer. Hvert signal bærer et præcist tidsstempel, tillader en computer at beregne ændringer, da et rumfartøj flyttede længere fra nogle pulsarer og tættere på andre.

Den sidste forhindring, selvfølgelig, tester teorien for at se, om den holder. Det vil være et af hovedmålene for NASAs NICER/SEXTANT -mission. NICE/SEXTANT står for Neutronstjernet interiørkomposition Explorer/Station Explorer til røntgentiming og navigationsteknologi , som beskriver et instrument bestående af 56 røntgenteleskoper samlet i en mini-køleskabsstørrelse [kilde:NASA]. Planlagt til at flyve på den internationale rumstation i 2017, instrumentet vil gøre to ting:studer neutronstjerner for at lære mere om dem og tjene som et bevis på konceptet for pulsar navigation.

Hvis NICER/SEXTANT -missionen lykkes, vi vil være et skridt tættere på autonom interplanetarisk navigation. Og måske har vi teknologien på plads til at undgå en Donner-lignende katastrofe i det ydre rum. At gå tabt ved kanten af ​​solsystemet, milliarder miles fra Jorden, virker lidt mere skræmmende end at vandre væk fra den slagne vej på din vej til Californien.

Masser mere information

Forfatterens note:Hvordan bruges GPS i rumfart?

Husk "Tabt i rummet, "det campy sci-fi-tv-show, der blev sendt i slutningen af ​​1960'erne? Jeg så det i repriser i løbet af 70'erne og elskede hvert minut af det. Det virkede lidt sejt at gå tabt i rummet dengang. Nu, med lidt perspektiv, det virker fuldstændig skræmmende. Hvis pulsar navigation bliver en realitet, i det mindste vil dette aspekt af rumfart - at finde vej - blive mindre skræmmende.

relaterede artikler

• 10 bedste ideer til interplanetarisk kommunikation
• Hvordan interplanetarisk internet vil fungere
• 5 Grønne teknologier til interplanetariske rumrejser
• Sådan fungerer GPS -modtagere
• Sådan fungerer GPS -telefoner

Kilder

• Alba, Davey. "Interplanetarisk GPS kommer et skridt tættere på." IEEE -spektrum. 4. juni kl. 2013. (8. august, 2013) http://spectrum.ieee.org/aerospace/space-flight/interplanetary-gps-comes-a-step-closer
• "En interplanetarisk GPS ved hjælp af Pulsar -signaler." Fysik arXiv -bloggen. 23. maj kl. 2013. (8. august, 2013) http://www.technologyreview.com/view/515321/an-interplanetary-gps-using-pulsar-signals/
• Kommissariat, Tushna. "Pulsarer kortlægger vejen til rummissioner." Fysik Verden. 4. juni kl. 2013. (8. august, 2013) http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/jun/04/pulsars-map-the-way-for-space-missions
• Deng, XP et al. "Interplanetar rumfartøjsnavigation ved hjælp af pulsarer." Fremskridt inden for rumforskning. 20. juli kl. 2013. (8. august, 2013) http://arxiv.org/pdf/1307.5375v1.pdf
• GPS.gov. "GPS:Rumsegment." 19. august kl. 2013. (29. august, 2013) http://www.gps.gov/systems/gps/space/
• Keesey, Lori. "Den seneste inkarnation af himmelbaseret navigation." Universets funktioner. 5. april kl. 2013. (8. august, 2013) http://www.nasa.gov/topics/universe/features/zombie-stars-sidebar.html
• NASA -administrator. "NASA bygger usædvanlig testbed til analyse af røntgennavigeringsteknologier." NASA. 20. maj kl. 2013. (8. august, 2013) http://www.nasa.gov/topics/technology/features/gxnlt.html
• NASA -administrator. "NASA udnytter zombiestjernernes magt i to-i-et-instrument." NASA. 5. april kl. 2013. (8. august, 2013) http://www.nasa.gov/topics/universe/features/zombie-stars.html
• "GPS -modtageren til Navigator." Programkontor for innovative partnerskaber. 2004. (8. august, 2013) http://techtransfer.gsfc.nasa.gov/ft_tech_gps_navigator.shtm
• Personaleforfattere. "Navigatorteknologi tager GPS til en ny højde." SpaceDaily. 12. april kl. 2010. (8. august, 2013) http://www.spacedaily.com/reports/Navigator_Technology_Takes_GPS_To_A_New_High_999.html
• Trodden, Mærke. "Deep Space GPS fra Pulsars." Opdag magasinet. 31. marts 2012. (8. august, 2013) http://blogs.discovermagazine.com/cosmicvariance/?p=8109#.UgmbbGRAR38
• Winternitz, Luke, Michael Moreau, Gregory J. Boegner og Stev Sirotzky. "Navigator GPS -modtager til hurtig erhvervelse og svage signalrumsprogrammer." Goddard Space Flight Center. 2004. (8. august, 2013) http://archive.org/details/nasa_techdoc_20040171175