人类的梦想是星辰大海，脱离地球轨道，踏上登月之旅只是走向宇宙的第一步；特朗普刚刚宣布，2024年，美国将重返月球，并且下一站火星！按他的性格，指不定接下来就是冲出太阳系，直指比邻星了吧。
特朗普宣言
今天我们不管美国如何烧钱的事情，我只问一句，同学们，星辰大海里，咱们的卫星导航还好使吗？进入深空，几十亿公里的路途，可是连一个路标站牌都不存在的啊，我们将如何获取正确的方向呢？要登月登火星，我们用的是什么导航系统？
导航确实是一个大问题。
同学们，科学讲究基础原理，在往宇宙进发之前，我们先复习一下地面导航原理。不然接下来的知识点，你可能要懵圈。
GPS简单原理
目前的全球导航系统主要分为两大部分：
1.空间部分：以GPS为例，空间部分主要由24颗GPS卫星构成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星运行在6个轨道平面上，运行周期为12个小时。
2.控制部分：GPS控制部分由1个主控站，5个检测站和3个注入站组成。
无论是美国的GPS还是欧盟的伽利略或者中国后发超车的北斗系统，其构成部分都和上面的大同小异。
卫星定位原理，简单的讲，就是通过已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。每一颗导航卫星的本质就是告诉你这么一个事情：现在几点了，我在哪里。然后通过地面控制站，修正计算误差。空地两者之间共同发挥作用，我们就可以实施精确定位和实时导航了。
总而言之，我们要有作为参照物的卫星，以及负责修正误差的计算模型和设备。
仅仅是发射地球同步卫星，人类很早就轻车熟路了，只要飞行器或者卫星探测器不一下子飞过了头，比GPS卫星还高，就总能指上路。科学家们玩腻了近地轨道，合计着想，要不咱们搞个深空探测一下木星、土星、或者登陆月球试试？
这可一点都不像看着那么简单啊。先别管木星或者土星，就一抬头挂着的明晃晃的月亮，真要往月亮上登陆，GPS导航就是全瞎。预定月球的着陆地点是一个需要高精度的活，不然登陆偏差到悬崖峭壁上，宇航员还行，探测车可没有攀岩模式啊。
另外，由于距离地球远，也无法直接使用无线电导航，因为按照正常的两个测量天线之间间距，将无法修正测定出来的轨道误差，登陆或者探测的定位精度都无法保证。
简而言之，得上新科技，我们今天的主菜——名字稍稍有点长——基于甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)的深空导航定位技术δDOR(Delta Differential One-Way Ranging)就发挥巨大的作用了。
我们一般简称为δDOR——深空导航技术。深空探测，登月登火星，可以说全靠它了。
在介绍这么高大上的δDOR是个什么之前？我们还得再插播一个知识点——VLBI测量技术。不然，你还是得懵圈。
有些勤奋好学的同学，在实际观测星空时发现，用相隔两地的两架射电望远镜接收同一天体的无线电波，等效分辨率可以等同于一架口径相当于两地之间距离的单口径射电望远镜。
举个例子，两个相距1公里的望远镜，分辨率等效于口径1公里的望远镜。
这个玩法一出现，马上成为天文界的福音。当年，发明了这项技术的剑桥大学天文学家，马丁·赖尔，立马就收获诺奖一枚，大家都认为值了。
射电望远镜阵列
从此，理论上，只要分布位置合理，随便搭十来个望远镜，就等于拥有了地球那么大直径的射电望远镜了！你说这不等于开了挂般的存在。
大家也别先高兴得太早，这挂虽然看着好使，可技术门槛其实挺高。分散各地的望远镜运作时，必须通过采用原子钟控制的高稳定度的独立本振系统，使得两个或两个以上的射电望远镜天线分别在同一时刻接收同一射电源的信号，然后进行整合运算，比较数据后才能真正得到结果。简单的说，你得同时有望远镜阵列以及超级计算机。
射电望远镜阵列
捎带说一句，咱们前段时间黑洞刷屏的照片，也是这个技术的深度发展应用而已。整个拍摄过程用了半个月，然后结合全世界最猛的超级计算机整合对比计算加绘图，差不多两年，才出来这么一组黑洞照片。
美国NASA不愧是航天一哥，灵机一动，咱们射电望远镜阵列齐全，超级计算机领先全球，光用来拍照未免有点浪费，不如开发一下深空星际导航？
还真再次开了挂！δDOR——深空导航技术其实就是VLBI测量技术的一个应用。
深空导航的第一个成熟实用对象是美国NASA发射的旅行者一号，1978年在它经过木星时，通过采用δDOR 技术，进行了高精度轨道修正技术验证，并取得成功。
旅行者一号
δDOR 系统的原理是航天器首先发射一组S频段、X频段或者Ka频段的正弦波或者方波信号——测音信号，这些信号能精确地模仿自然界的涉电信号。地球上不同地理位置的观测站对该侧音信号进行观测并同步记录起来。通过计算信号的延迟，我们可以计算确定航天器相对于观测站的角度。
δDOR 系统的原理
但由于电离层延迟、对流层延迟、时钟偏差、站址偏差及接收机设备延迟等等，原始测量数据误差太大，用来导航偏差大的离谱。这时候需要引入射电天文坐标系，进行消除误差操作。我们以宇宙中若干恒定的射电源作为基准点，这些射电源的位置由国际天文组织经过长期的VLBI观测得到，角位置精度可达到nrad级。经过误差项校准，对航天器的位置进行对比修正，就可以得到高精度的航天器方位角值。从而得到精确的导航操作指引。
这个技术在多个深空探测器上都取得了应用成功，特别是美国登月计划，这种导航技术更是立了大功。
美国登月旧照
可是，基于地面基站的δDOR 系统有个缺陷就是观测天线必须可见航天器才能进行测量，射电源选择一般在航天器附近10°以内。这样的操作好比放风筝，航天器依赖于地球基站的实时无线操纵，一旦出现信号故障丢失，或者处于可见弧度之外时，导航就无法进行，这时候，我们需要——天文自主导航。
同学们还记得GPS的原理吗？只有具备参照物和强大的计算力，导航就可以搭建起来。航天器如果只需要向目标星体前进，不涉及高精度登陆操作，一般自行搭载的计算机算力是足够的，那么我们只需要找到可靠的参照物，就能把航线精确定位下来了。
太阳系内航行
在太阳系内，我们可以利用太阳和行星作为参照物，进行自主导航。由于太阳和行星在任意时刻的位置可根据星历表获得，剩下的，就是从行星之间的夹角、行星和恒星之间的夹角等信息中，通过这些观测量，利用几何解析的方法，以及结合轨道动力学，就可以获得探测器的位置、速度等导航参数。
只要不是距离太阳过于遥远，同学们在太阳系中畅游，基本也可以做到了。
人类的深空探测器，去年已经飞过了冥王星，进入太阳系的外围，在这种距离之下，利用太阳作为参照物的办法就行不通了——距离太远了。就是说，要突破太阳系，进入星辰大海，我们就得彻底摆脱太阳的依赖。
星际航行示意图
太阳系外我们进行天文自主导航，就得使用宇宙的灯塔——脉冲星。脉冲星它们的位置坐标，犹如恒星星表一样构成一种高精度惯性参考系；其长期稳定度，甚至优于地球上最稳定的铯原子钟。脉冲星可以提供绝好的空间参考基准和时间基准，对于目前人类的认知来说，是最好的空间飞行器天然导航信标。
只要我们找到足够多的X波段的脉冲星，特朗普真要开始搞星际航行，也不愁没个方向了。
人类的星辰大海之旅，有了δDOR——深空导航技术作为保障，来一场说走就走的旅行，或许也不是难事了。
我是猫先生，感谢阅读。
| 留言与评论（共有 0 条评论） |
