Miten Gps Käytetään Avaruuslentoon?

{h1}

Gps olisi looginen navigointivalinta avaruuslennolle, jos sen valikoima ei ole niin rajallinen. Onko olemassa toinen gps-tyyppinen avaruuslentoasetus?

DONNER-OSOITTASI KALIFORNIASSA, KESKUSTELUASTEISSA SÄÄRÄLLÄ JA TURVALLISTA MATKAILUA

Tämä olisi voinut olla otsikko, joka kirjoitettiin syksyllä 1846, jos George ja Jacob Donner pääsisivät maailmanlaajuiseen paikannusjärjestelmään, joka on erittäin tarkka navigointitekniikka, joka perustuu signaaleihin useista satelliiteista, jotka kiertävät noin 20 500 kilometriä maanpinnan yläpuolella [ lähde: GPS.gov]. Valitettavasti Donnerin veljekset ja heidän epäuskoinen pioneereidensa bändi, GPS tarvitsisi vielä 100 vuoden tutkimus- ja kehitystyötä, jolloin heidät löysivät matkallaan Kaliforniaan käyttäen kompasseja, karttoja ja huonoja neuvoja. Loppujen lopuksi heidän pitkän matkansa muuttui kauheaksi painajaiseksi. Heistä tuli lumiraita Sierra Nevadan vuoristossa, jossa monet puolueensa kuolivat ennen kuin pelastajat pääsivät heihin keväällä.

Spacefare-etsinnöissä saattaa kohdata samanlaisia ​​tragedioita, jos ne eivät voi löytää luotettavaa tapaa suuntautua matkalla kaukaisiin planeettoihin ja ehkä kaukana oleviin tähtiin. GPS näyttää loogiselta ehdokkaalta tällaisiin pyrkimyksiin, mutta järjestelmä toimii vain, jos matkasi on rajoitettu maapallokohteisiin. Tämä johtuu siitä, että 24 satelliittia, jotka muodostavat GPS: n "konstellaatiot", lähettävät signaalit kohti maata. Jos olet satelliittien alapuolella ja vastaanotin pystyy havaitsemaan signaalit, voit luotettavasti määrittää sijaintisi. Matkoilla planeettan pinnalla? Olet hyvä mennä. Lentävät matalan maan kiertoradalla (LEO)? Olet katettu. Yrittäkää kuitenkin LEO: n yläpuolella ja kätevä GPS-vastaanotin löytää itsesi nopeasti satelliitin konstellaation yläpuolelle, ja sen seurauksena se ei enää pysty tallentamaan signaalia. Toinen tapa: GPS-satelliitit lähettävät vain alas, ei ylös.

Tämä ei tarkoita sitä, että matkakohteet maapallon ulkopuolelle joutuvat lentämään sokea. Nykyiset navigointitekniikat käyttävät maapallon seuranta-asemien verkkoa, jotka etsivät ja lähtevät avaruuteen. Kun raketti lähtee planeettamme Marsille, Jupiterille tai sen ulkopuolelle, maajoukot lähettivät radioasemia seuranta-asemilta alukselle. Nämä aallot pomppivat käsityön ja palaavat maahan, missä instrumentit mittaavat aallon kestoa, jotta Doppler-vaikutuksen aiheuttama matka ja taajuuden muutos saataisiin aikaan. Näiden tietojen avulla maa-miehistöt voivat laskea raketin sijainnin avaruudessa.

Kuvittele nyt, että haluat matkustaa aurinkokunnan uloimpaan ulottuvuuteen. Kun avaruusalus saavuttaa Pluton, sinun tulee olla 3,673,500,000 mailia (5,9 miljardia kilometriä) maalta. Seuranta-aseman lähettämä radiosignaali kestää 5,5 tuntia päästäksesi sinne ja sitten vielä 5,5 tuntia matkustaa takaisin (olettaen aallot kulkevat valonopeudella), mikä vaikeuttaa tarkkaa sijaintia. Matkustaa vielä kauemmas ja maanpäällisten seurantajärjestelmien tarkkuus putoaa vieläkin enemmän. Selvästikin parempi ratkaisu olisi asentaa navigointi-instrumentti avaruusalukselle, jotta se voisi laskea asemansa itsenäisesti. Siinä missä pulsar-navigointi, joka on NASAn Goddard Space Flight Centerin innovaatio.

GPS käyttää tarkkoja ajan mittauksia laskelmien tekemiseen. Jokainen GPS-satelliitti sisältää atomikellon, ja sen aika on synkronoitu vastaanottimen kanssa. Vastaanotin voi laskea alueen satelliitille kertomalla kellonaika, joka kulkee satelliitin signaalin päästä vastaanottimeen signaalin nopeudella, joka on valon nopeus. Jos satelliitin signaali kestää 0,07 sekuntia päästä vastaanottimeen, satelliitin alue on 13,020 mailia (186 000 mailia sekunnissa × 0,07 sekuntia).

Raketti voisi tehdä samanlaisia ​​laskelmia, jos se voisi vastaanottaa avaruuteen lähettämiä aikasignaaleja. Kuten onnea, universumi sisältää enemmän kuin muutamia erittäin tarkkoja aikavalvontalaitteita. Heitä kutsutaan nimellä pulsareja - nopeasti kiertävät neutronit, jotka lähettävät säännöllisiä sähkömagneettisen säteilyn pulsseja. Yhdessä vaiheessa elämässään pulsar asui suurella ja palava kirkas. Sitten se käytti ydinpolttoainettaan ja kuoli massiivisessa räjähdyksessä. Tämän räjähdyksen tuote oli nopeasti pyörivä, voimakkaasti magneettinen esine, jonka napojen emittoivat voimakkaita energialähteitä. Nyt, kun kuollut tähti pyörii, palkit kulkevat ympäriinsä, aivan kuten majakan majakka. Maapallon tarkkailija ei voi nähdä itse tähtiä, mutta hän näkee valon pulsseja, jotka tulevat läpi avaruuteen.

Jotkut pulssit vilkkuvat päälle ja pois muutaman sekunnin välein; muut vilkkuvat paljon nopeammin. Joko niin, ne pulssi jatkuvasti, mikä tekee niistä hyödyllisiä pitämään aikaa. Itse asiassa, kuten aikavalvontalaitteita, pulsarit kilpailevat atomikelloista tarkkuutensa suhteen. Vuonna 1974 Jet Propulsion Laboratory - G.S. Downsin tutkija ehdotti ensin ajatusta pulsarien käyttämisestä avaruusalusten navigointiin kosmoksen läpi. Konsepti pysyi paperilla, koska tiedemiehet eivät edelleenkään tienneet tarpeeksi arvoituksellisia tähtiä ja koska ainoat instrumentit, jotka olivat käytettävissä pulsarien havaitsemiseksi - radioteleskoopit - olivat valtavia.

Vuosien mittaan kenttä kehittyi. Tähtitieteilijät jatkoivat pulsarien löytymistä ja tutkivat käyttäytymistään. Esimerkiksi vuonna 1982 tutkijat löysivät ensimmäiset millisekunti pulsarit, joiden pituus on alle 20 millisekuntia. Ja vuonna 1983, he havaitsivat, että tietyt millisekuntiset pulssaattorit lähettävät voimakkaita röntgensäteitä. Kaikki tämä työ mahdollisti siirtää pulssin navigointia paperista käytäntöön.

Galaktinen GPS

Tämän esittäjän esityksestä näkyy NICER / SEXTANT-hyötykuorma. 56-teleskooppi hyötykuorma lentää kansainvälisellä avaruusasemalla.

Tämän esittäjän esityksestä näkyy NICER / SEXTANT-hyötykuorma.56-teleskooppi hyötykuorma lentää kansainvälisellä avaruusasemalla.

Vaikka maapallon käyttämämme GPS-järjestelmä ei ole hyödyllinen interplanetary matkalla, sen periaatteet koskevat muita navigointijärjestelmiä. Itse asiassa pulsarien käyttäminen aurinkokunnan suuntautumiseen muistuttaa maapallon GPS-tekniikkaa monella tavalla:

  1. Ensinnäkin, aivan kuten GPS-vastaanotin kolmikulmaisee sijainnin käyttäen tietoja neljästä tai useammasta satelliitista, tarvitset enemmän kuin yksi pulsar määrittää kohteen tarkan sijainnin avaruudessa. Onneksi tähtitieteilijät ovat löytäneet yli 2000 pulsaria vuosien varrella [lähde: Deng]. Parhaimmat ehdokkaat navigointiin ovat kuitenkin vakavat pulsarit, jotka vilkkuvat millisekunnin alueella ja jotka lähettävät voimakkaita röntgensäteitä. Jopa näiden rajoitusten takia on vielä useita mahdollisuuksia. Jotkut pulsarit ovat J0437-4715, J1824-2452A, J1939 + 2134 ja J2124-3358 [lähde: Deng].
  2. Seuraavaksi sinun on tunnistettava pulsarien lähettämät signaalit. Tämä vastaisi GPS-vastaanottimen, mutta sen pitäisi olla herkkä röntgensäteilylle. Useilla tarkkailijoilla on röntgenkuvat, vaikka ne ovat aivan liian suuria hihnaa avaruusalustaan. Seuraavan sukupolven ilmaisimet, jotka tunnetaan nimellä XNAV-vastaanottimet, on paljon pienempi ja helppo kuljettaa avaruuteen.
  3. Lopuksi tarvitset algoritmeja tekemään kaikki tarvittavat laskelmat. Tieteiden tutkijat ovat selvittäneet matematiikkaa useiden vuosien ajan käyttämällä monimutkaisia ​​yhtälöryhmiä, joiden avulla otetaan huomioon muuttujat, kuten pulsarin spin-epäsäännöllisyydet ja ulkoisten ilmiöiden vaikutukset - gravitaatio aaltoja tai plasmaa - aaltojen etenemiseen. Vaikka matematiikka on haastava, perusidea on sama kuin maapallon GPS: XNAV-vastaanotin havaitsisi signaaleja neljästä tai useammasta pulsarista. Jokaisella signaalilla olisi tarkka aikaleima, jonka ansiosta tietokone voi laskea muutoksia, kun avaruusalusta siirretään kauemmas tietyistä pulsarista ja lähempänä toisia.

Viimeinen este, tietenkin, testaa teoriaa nähdäksesi, pysyykö se yllä. Tämä on yksi NASAn NICER / SEXTANT -ohjelman tärkeimmistä tavoitteista. Mukavampi / SEXTANT tarkoittaa Neutron-tähtäimen sisätilan Explorer / Station Explorer röntgensäteilyn ajastus- ja navigointitekniikalle, joka kuvaa instrumenttia, joka koostuu 56 röntgensäteilyn teleskoopista, jotka on yhdistetty mini-jääkaapin koon mukaan [lähde: NASA]. Hajautettuina lennolle kansainvälisessä avaruusasemassa vuonna 2017, instrumentti tekee kahta asiaa: tutkia neutronisäteitä saadakseen lisää tietoa niistä ja toimimaan todisteena pulsarivalikoiman käsitteestä.

Jos NICER / SEXTANT -operaatio onnistuu, olemme yksi askel lähemmäksi itsenäistä interplanetary navigointia. Ja ehkä meillä on tekniikka, jotta vältetään Donnerin kaltainen katastrofi ulkoavaruudessa. Kadotettu aurinkokunnan reunaan, miljardeja kilometrejä Maasta, tuntuu tuskin pelottavalta kuin vaeltaa poissaolevasta polusta matkalla Kaliforniaan.

Author's Note: Miten GPS käytetään avaruuslentoon?

Muista "Lost in Space", leiri-sci-fi-tv-ohjelma, joka ilmestyi 1960-luvun lopulla? Katselin sitä uudelleen 70-luvun aikana ja rakastin sitä joka minuutti. Se tuntui hyvältä menettää avaruudessa sitten. Nyt, jossain näkökulmasta, tuntuu äärimmäisen kauhistukselta. Jos pulsar-navigointi tulee todellisuuteen, ainakin tämä avaruuslentokoneen näkökohta - löytää tapaesi - tulee vähemmän uhkaavaksi.


Video Täydentää: .




FI.WordsSideKick.com
Kaikki Oikeudet Pidätetään!
Jäljentämistä Materiaalien Sallittu Vain Prostanovkoy Aktiivinen Linkki Sivustoon FI.WordsSideKick.com

© 2005–2019 FI.WordsSideKick.com