Hvordan Bruges Gps I Rumflyvning?

{h1}

Gps ville være det logiske navigeringsvalg for rumflyvning, hvis dets rækkevidde ikke var så begrænset. Er der en anden gps-type mulighed for spaceflight?

DONNER PARTY ARRIVERER I CALIFORNIEN, KLAIMING FAST WEATHER AND SAFE TRAVELS

Dette kunne have været en overskrift skrevet i efteråret 1846, hvis George og Jacob Donner havde adgang til Global Positioning System, en yderst præcis navigations teknologi baseret på signaler fra en række satellitter, der kredser omkring 12.500 miles over jordens overflade [ kilde: GPS.gov]. Uheldigvis for Donner-brødrene og deres forfalskede bandet af pionerer ville GPS kræve yderligere 100 års F & D, så de kunne finde vej til Californien ved hjælp af kompasser, kort og dårlige råd. Til sidst blev deres lange rejse til et svær mareridt. De blev snebundne i Sierra Nevada-bjergene, hvor mange i deres parti døde, før redningsmændene kunne nå dem om foråret.

Spacefaring opdagelsesrejsende kan stå over for lignende tragedier, fordi de ikke kan finde en pålidelig metode til at orientere sig som 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 skyldes, at de 24 satellitter, der udgør GPS'en "konstellation", sender deres signaler til jorden. Hvis du er placeret under satellitterne og har en modtager, der er i stand til at registrere signalerne, kan du pålideligt bestemme din placering. Cruising langs planetens overflade? Du er god at gå. Flyver i lav-jord bane (LEO)? Du er dækket. Venture over LEO, og din handy GPS-modtager vil hurtigt finde sig over satellitkonstellationen og som følge heraf ikke længere kunne optage et signal. Angiv en anden måde: GPS-satellitter sender kun ned, ikke op.

Det betyder ikke, at missioner til destinationer ud over Jorden skal flyve blinde. Nuværende navigationsmetoder bruger et netværk af jordbundne sporestationer, der ser op og ud i rummet. Når en raket forlader vores planet for Mars, Jupiter eller derover, stråler jordpersoner radiobølger fra sporstationerne ud til skibet. Disse bølger hopper ud fra håndværket og vender tilbage til Jorden, hvor instrumenter måler den tid det tog bølgerne at gøre rejsen og forskydningen i frekvens forårsaget af Doppler-effekten. Ved hjælp af disse oplysninger kan ground crews beregne placeringen af ​​raketen i rummet.

Forestil dig nu, at du vil rejse til solsystemets ydre rækkevidde. Når dit rumfartøj når Pluto, vil du være 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 at rejse tilbage (forudsat at bølgerne rejste ved lysets hastighed), hvilket gør det vanskeligere at finde ud af din nøjagtige placering. Rejs endnu længere, og nøjagtigheden af ​​jordbundne sporingssystemer falder endnu mere. Det er klart, at 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.

GPS bruger præcise målinger af tid til at foretage beregninger. Hver GPS-satellit indeholder et atomur, og dets tid er synkroniseret med en modtager. En modtager kan beregne afstanden til satellitten ved at multiplicere den tid det tager satellitsignalet at nå modtageren ved signalets hastighed, hvilket er lysets hastighed. Hvis det tager 0,07 sekunder for signalet fra en satellit for at nå modtageren, er satellitområdet 13.020 miles (186.000 miles per sekund × 0.07 sekunder).

En raket kunne lave lignende beregninger, hvis det kunne modtage tidssignaler udsendt af noget ude i rummet. Som held ville have det, indeholder universet mere end nogle få meget præcise timekeeping-enheder. De er kendt som pulsarer - hurtigt roterende neutronstjerner, der udsender faste impulser af elektromagnetisk stråling. På et tidspunkt i sit liv levede en pulsar stor og brændende lyst. Derefter brugt det sin atombrændstof og døde i en massiv eksplosion. Produktet af denne eksplosion var et hurtigt spinende højt magnetiseret objekt, hvis poler udstrålede kraftige stråler af energi. Nu, som den døde stjerne spinder, stråler bjælkerne rundt, ligesom et fyrtårns fyrtårn. En observatør på Jorden kan ikke se stjernen selv, men han kan se lysets pulser, som strømmer gennem rummet.

Nogle pulsarer blinker og slukker hvert par sekunder; andre blinker langt hurtigere. På nogen måde pulserer de altid med en konstant frekvens, hvilket gør dem nyttige til at holde tid. Faktisk, som timekeeping-enheder, pulsarer rivaliserende atomure med hensyn til deres præcision. I 1974 foreslog en forsker ved Jet Propulsion Laboratory - G.S. Downs - først ideen om at bruge pulsarer til at hjælpe rumfartøjer navigere gennem kosmos. Konceptet forblev på papir, fordi forskerne stadig ikke vidste nok om de gådefulde stjerner, og fordi de eneste instrumenter til rådighed til at opdage pulsarer - radioteleskoper - var enorme.

I årenes løb er feltet avanceret. Astronomerne fortsatte med at opdage pulsarer og studere deres adfærd. I 1982 opdagede forskere de første millisekunders pulsarer, som har perioder på mindre end 20 millisekunder. Og i 1983 fandt de ud af, at visse millisekunders pulsarer udlod stærke røntgensignaler. Alt dette arbejde gjorde det muligt at flytte pulsar navigation fra papir til øvelse.

Galaktisk GPS

Denne kunstners gengivelse viser NICER / SEXTANT nyttelast. 56-teleskopets nyttelast vil flyve på den internationale rumstation.

Denne kunstners gengivelse viser NICER / SEXTANT nyttelast.56-teleskopets nyttelast vil flyve på den internationale rumstation.

Selv om GPS'en, vi bruger på Jorden, ikke er nyttig til interplanetarisk rejse, gælder dens principper for andre navigationssystemer. Faktisk, ved at bruge pulsarer til at orientere dig i solsystemet ligner jordbunden GPS på mange måder:

  1. For det første, ligesom en GPS-modtager triangulerer en position ved hjælp af data fra fire eller flere satellitter, har du brug for mere end en pulsar til at bestemme en objekts præcise placering i rummet. Heldigvis har astronomer opdaget mere end 2.000 pulsarer gennem årene [kilde: Deng]. De bedste kandidater til navigation er imidlertid stabile pulsarer, der blinker til og fra i millisekundsområdet, og som udsender stærke røntgensignaler. Selv med disse begrænsninger forbliver en række muligheder. Nogle pulsarer under overvejelse indbefatter J0437-4715, J1824-2452A, J1939 + 2134 og J2124-3358 [kilde: Deng].
  2. Dernæst har du brug for noget til at detektere signaler udgivet af pulserne. Dette ville svare til GPS-modtageren, men det ville være nødvendigt at være følsom overfor røntgenstråling. En række observatorier har røntgen teleskoper, selv om de er alt for store til at binde til et rumfartøj. Den næste generation af detektorer, kendt som XNAV-modtagere, vil blive meget mindre og let båret ind i rummet.
  3. Endelig har du brug for algoritmer til at lave alle de rigtige beregninger. Hold af forskere har udarbejdet matematikken i flere år ved at bruge et komplekst sæt ligninger til at tage højde for variabler som pulsar-spin-uregelmæssigheder og virkningerne af eksterne fænomener - tyngdebølger eller plasma - på udbredelsen af ​​bølgerne. Selvom matematikken er udfordrende, er den grundlæggende idé den samme som jordbunden GPS: XNAV-modtageren ville registrere signaler fra fire eller flere pulsarer. Hvert signal ville bære et præcist tidsstempel, så en computer kunne beregne ændringer som et rumfartøj flyttet længere fra nogle pulsarer og tættere på andre.

Den sidste forhindring er selvfølgelig at teste teorien for at se om den holder fast. Det vil være et af hovedmålene for NASAs NICER / SEXTANT mission. PÆNERE / sextant står for Neutron-stjerne Interiør Kompositions Explorer / Station Explorer til røntgen Timing og Navigation Technology, som beskriver et instrument bestående af 56 røntgen teleskoper bundtet sammen i en mini-køleskab størrelse array [kilde: NASA]. Slated til at flyve på den internationale rumstation i 2017, vil instrumentet gøre to ting: studere neutronstjerner for at lære mere om dem og tjene som et bevis på konceptet for pulsarnavigation.

Hvis NICER / SEXTANT-missionen er vellykket, er vi et skridt tættere på autonom interplanetær navigation. Og måske har vi teknologien på plads for at undgå en Donner-lignende katastrofe i det ydre rum. At være tabt ved solsystemet, milliarder mil fra Jorden, virker lidt mere skræmmende end at vandre væk fra den slagne vej på vej til Californien.

Forfatterens note: Hvordan bruges GPS i rumflyvning?

Husk "Tapt i rummet", den campy sci-fi tv-show, der blev sendt i slutningen af ​​1960'erne? Jeg så det i reruns i 70'erne og elskede hvert minut af det. Det syntes lidt cool at gå tabt i rummet da. Nu, med et vis perspektiv, synes det fuldstændig skræmmende. Hvis pulsarnavigation bliver en realitet, vil det mindste aspekt af rumflyvning - finde din vej - blive mindre skræmmende.


Video Supplement: .




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com