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宇宙都在转动,人类航天器是如何在太空中定。。。

6月18日 终不悔投稿
  宇宙在转动,这涉及到惯性系,航天器如何在太空中定位,这涉及到坐标和导航,因此这是两个问题。
  众所周知,宇宙中任何一个物体都在一定的惯性系里运动,这个惯性系,相对于其中运动着的物体都是静止的。
  如我们在一列高铁上,高铁以每秒100米的速度前进,而我们也在以同样速度前进,但列车如果不晃动不看窗外就会感觉不到,所以高铁相对我们就是静止的。我们在高铁里走来走去,蹦跳嬉闹,只是相对高铁在做运动,与其他参照系毫无关系。
  但在高铁里就没法确定东南西北,只能确定上下左右,要确定东南西北就需要在高铁惯性系以外寻找参照系,比如知道珠穆朗玛峰在西南方向,我们朝那边开就是西南。
  在太阳系这个惯性系,太阳就是这个系的老大,相对我们就是静止的。
  我们地球围绕着太阳运动,远日点为1。52亿公里,近日点为1。47亿公里,这是相对太阳而言。其实太阳也在围绕着银河系中心质点公转,每秒为250公里,约2。5亿年转一圈。因此太阳在银河系这个惯性系里,银河这个16万光年的大圆盘就是相对静止的。
  我们在太阳系里面运行,与太阳在银河系公转毫无关系,因为我们也在跟着公转。
  所以我们的探测器在太阳系里飞行,在太阳系里确定坐标就行了。要出太阳系,就不能以太阳系的天体来参照了。
  人类航天器现在还没有飞出太阳系呢,所以只是在太阳系这个惯性系里相对太阳做一些运动而已,这与宇宙在运动毫无关系。
  虽然如此,为了更精准的深空导航,对于远距离飞行的探测器,科学家们还是会用太阳系外的一些天体为坐标,来确定航天器的走向。
  定位实际上就是确定自己和目标的坐标,从而起到导航的作用。这一点我们地球上的GPS是一个典范。
  在地球上导航和定位,就是以地球为惯性系,地球相对这个惯性系里的物体就是静止不动的。
  现在人类使用最广泛的GPS全球定位系统,就是利用在空间能够扫描全范围覆盖地球的多个导航卫星,根据人类把地球按经纬度划分出的每一个坐标点进行实时定位。
  GPS是由美国国防部1958年立项开始研制,1964年投入使用的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统,现在由美国政府管理并出资维护,免费提供给全世界任何持有GPS接收器的人,比如我们的手机。
  GPS全球定位系统的运用,是卫星通信技术在导航领域的应用典范,极大提升了地球社会信息化水平,促进了数字经济的发展。
  面向地球的GPS只是地球上能够使用,太空航行就不行了,就必须有宇宙,或者说至少是银河系的GPS系统。这个系统有人在做,大家别急,后面我会说到。
  一般来说在太阳系里航行,我们只要以太阳为基点,就可以测算出自己所在的位置和目标所在的位置。
  航天探测器都是无人自动控制,只要在导航系统中设定了目标位置就行了,它就会按照设定好的目标航向飞到既定的地方。
  当然说是容易,做起来其实没有这么简单,比如我们要去的任何天体都是在围绕着太阳公转,一些卫星还围绕着行星公转,这就要精密计算出它们的轨道,并与飞到那里的时间相吻合。
  探测器在飞行过程中会受到路途各种引力的影响,有时还要采用引力弹功效应提速,这样航向和速度都会变化和偏差,这就要有纠正机制和深空网络的指令,而飞行器飞远了这种指令会延迟,就要计算提前量和预测等等。
  这是一个非常复杂的系统,这里就不做专业介绍了。
  探测器要出太阳系,就必须以太阳系外的天体来参照了。
  实际上,现在航天界在太阳系里面航行也已经开始采用银河系座标了,这个坐标就是脉冲星。
  脉冲星是上世纪科学界发现的一种特殊天体,是中子星的一种,自转速度非常快,可达一秒钟千转以上。由于其自转轴和磁场射线方向有一定的角度,不在一条直线上,这样脉冲星旋转起来从磁场射出的强大能量流就会随着自转,像灯塔一样的扫射太空。
  这种能量扫过地球,被地球所捕捉,就发现了脉冲星。
  现在人类已经发现了两千多颗脉冲星,分布在银河系的各个方向,由于它们像恒星一样位置的相对固定,不断的发射着像脉搏一样既有规律又准确的电磁脉冲,成为了人类航天的指路明灯。
  就像古代行船在黑咕隆咚茫茫大海,看到远方熟悉的灯塔,就知道到了哪里应该怎么走了。
  为了更好的利用脉冲星的灯塔效应,宇宙版的GPS导航系统应运而生。
  NASA最新研发了一款宇宙版GPS导航系统,这个导航系统英文全名叫StationExplorerforXrayTimingandNavigationTechnology,中文译名为“X射线定时与导航技术资源管理站”,就是利用锁定的4颗毫秒级脉冲星,它们叫J02184232、B182124、J00300451、J04374715,作为精确信号源,来精准导航的。
  这个导航系统已经在国际空间站上进行了测试,在宇宙空间定位现在可以达到公里级,还在向百米级进发。
  这可不是在地球上定位,而是在宇宙若干光年跨度的定位。也就是说,在若干光年外发射一艘飞船到地球来,要降落在哪个小城镇就在那个小城镇。
  这可比在地球上瞄准月球上一只蚊子还要难若干数量级,厉害吧。
  有了这个宇宙定位导航系统,人类就有了开启星际跨越的钥匙了。
  时空通讯观点,欢迎点评讨论。
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