导航技术走向太空,在月球使用GPS导航什么体验

硅谷密探·2021-08-16 12:59
在月球,该用什么导航?

灵魂拷问:你能不开导航行驶在在重庆黄桷湾立交桥吗?

我想多数人的回答都是“no”,毕竟人类既没有鸽子对地球磁场变化的敏锐能力,也不会像其他动物那样留下气味做标记,靠的仅是用一个个参照物在大脑中建立一个记忆模型,可一旦走到既陌生、又缺少参照物的环境,迷路是大概率事件。

正因如此,人类自古便在与“迷路”作斗争,从最早观星辨位到中国古代的司南、再到大航海时代的指南针、最近几十年发展起来的GPS导航系统、北斗导航系统,人类只要有导航工具在手,几乎不会迷路(路痴除外)。

但也仅限于地球,1969年随着阿波罗11号登陆月球,越来越多商业航天器(维珍银河、SpaceX)走进太空,人类又遇到了新的问题:在月球我该用什么导航?在茫茫宇宙我又该用什么导航?该用户扫描

位于莫哈维的一家初创公司——Masten Space Systems公司(后简称“Masten”)给出的答案是:给月球也建设一套GPS导航系统。据悉,目前Masten已经完成了其项目的第一阶段,即包括完成PNT信标(PNT信标将使一个地面网络广播无线电信号并允许航天器和其他轨道资产无线连接导航、定时和位置跟踪)的概念设计,而第二阶段的主要目的是开发能承受恶劣的月球环境的PNT信标,预计在2023年完成,以帮助NASA(美国国家航空航天局)实现Artemis计划(探索月球南极并建立永久空间站)。

01 没有导航行不行

说到这里可能大家都很好奇,既然阿波罗11号都成功登陆月球了,中国的玉兔号月球探测器均能在月球不迷路,甚至去到更远星球的好奇号、旅行者号、机遇号等火星探测器均能在地球工作人员的指引下按着既定目标运行,为何还要多此一举在月球修建GPS导航系统呢?

这一方面是出于对未来的考虑,毕竟月球是距离地球最近的地外星球,近些年来除了国家队的探索也迎来了维珍银河、SpaceX等商业航空航天公司的觊觎,人类大规模在月球活动只是时间问题,所以围绕月球修建GPS导航系统可以更方便。

另一方面也是图方便。“与地球不同,月球没有配备GPS导航系统,因此月球航天器和轨道资产基本上在黑暗中运行,因此每个航天器都必须携带重型导航硬件和传感器,以估计定位和检测潜在危险。”Masten Space Systems公司研发副总裁马修·库恩斯(Matthew Kuhns)说道。而如果在月球建立一个共享的导航网络,那么人类每个航天器将降低数百万美元的成本,提高有效载荷能力,并提高月球上资源最丰富的地点附近的着陆精度。

GPS导航系统由卫星、信标台与接收终端三部分组成,其中空间部分由24颗卫星组成,它位于距地表20km的上空,运行周期为12小时,卫星被均匀分布在6个轨道面上,轨道倾角为55°,这样的卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星。

之所以是需要4颗卫星主要目的是提高导航的精度,由于卫星在发射时就的位置是已知的,即便上天后通过星历其位置参数也是已知的,唯一未知数是便是地面接收终端设备,而变量则是云层、天气等,为了能够让导航更精确,还需要一颗卫星来辅助矫正其位置信息。

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。在平面上,我们知道只要知道横坐标(X轴)与纵坐标(Y轴)的参数便能确定这个点的位置,而在空间层面,还有需要Y轴的坐标参数才能确定最终的位置,但由于误差导致Y是变量,所以需要4个三点定位的公式才能确定精度较高的位置。

图片源于网络

02 Masten的疯狂想法

不过Masten并非真的是要在月球上构建GPS导航系统,而是部署一个共享导航系统以支持其他政府和商业任务,并实现繁荣的月球生态系统。

 数据来源:Masten

Masten的共享导航系统与GPS最大的不同在于,GPS依靠的是卫星实现对地面的人与交通工具进行导航,而Masten的共享导航系统是通过在月球表面部署多个聚合了位置、导航和定时(PNT)信标的专用传感器阵列以形成一个网络,依托于地面网络广播无线电信号为航天器和其他轨道设备提供导航与位置跟踪服务。这听起来虽然疯狂,但与GPS的基本原理仍然是相通的。

据悉,Masten成立于2004年,在此之前其研究方向与马斯克的SpaceX类似,均是航天回收与太空开发,其在导航定位系统方面几乎没有任何经验。从目前其进展来看,Masten虽然拿到了NASA关于AFWERX计划的订单,但首席执行官肖恩·马霍尼(Sean Mahoney)表示:Masten目前仍处于第一阶段,仅仅只完成了网络原型的概念设计,预计2023年将通过SpaceX将位置、导航和定时(PNT)信标的专用传感器阵列运送至月球南极,当前最主要任务是与工程和国防公司Leidos合作开发能够承受月球恶劣自然环境的传感器外壳。”

Masten的月球共享导航计划还遥遥无期,但不久前美国太空网、电气和电子工程师协会(IEEE)均发布消息称:为实现重返月球的目标,NASA的科学家开始进行“月球导航”的验证,实验表明包括美国GPS、欧洲伽利略和俄罗斯GLONASS在内的81颗导航卫星中,每个奔赴月球的航天器无论何时何地均能接收到5颗至13颗导航卫星的信号,定位精度能达到200米至300米,这表明即便没有Masten的月球共享导航,在月球也能用上GPS等导航,Masten惨遭NASA背刺。

不过Masten仍有机会,报道还指出虽然能够接收到信号,但宇航员落地后会信号会受到来自月球山丘地势的削减与阻挡,导航的误差会进一步扩大到300—500米这样无法使用的地步(目前民用导航误差在2—20米内),目前研究团队虽然已尝试多种方法提升导航精度,但至今仍没有头绪,这也是为什么Masten的月球共享导航计划虽仍停留在PPT阶段,NASA还是对其寄予厚望的原因所在。

最后,对于Masten的疯狂想法我们或许应该多给予一点期待。引用阿姆斯特朗的一句话:“这是我个人的一小步,但却是人类的一大步。”

本文来自微信公众号“科创实验室”(ID:scilabs),作者:渣渣辉,36氪经授权发布。

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