在月球上“蹭”GPS，总共分几步？

美国太空网和其他媒体最近发布消息称，为了实现重返月球的目标，美国国家航空航天局(美国航天局)的科学家已经开始进行“月球导航”验证。他们说，目前地球轨道上的全球定位系统卫星发出的信号可以在月球上接收和使用，定位精度为200-300米。

你能用你“摩擦”的全球定位系统信号在月球上导航吗？中国航天科技集团第二研究院的研究员杨玉光告诉《科学日报》:“这种方法有效。”

地球导航卫星信号可以“触及”月球

众所周知，导航卫星的信号光束都是朝向地球发射的。要在月球上接收导航信号，前提是卫星、地球和月球之间的位置关系满足一定的要求。

想象一张图片:假设导航卫星是一盏灯，从地球的“前方”发射锥形光束照亮地球，然后当月球移动到地球“斜后方”的某个位置时，它可以被泄漏的光照亮。

杨玉光说，导航卫星的主信号波束就是这样一个圆锥，它不仅可以覆盖地球，而且覆盖范围稍宽。地球无法停止的信号可以“触及”月球。

全球定位系统星座由24颗卫星组成，这些卫星均匀分布在6个轨道平面上，在离地面20，200公里的中圈轨道上飞行。应该说，向月球发射信号的概率并不低，但它可能不足以支持月球探测器像地球一样导航。

每个人都知道，在生活中使用导航软件时，为了实现精确定位，对能够接收信号的导航卫星的数量有所要求，通常至少需要4颗或更多的卫星。杨玉光说，在航天器定位的概念中，这种通过接收多个卫星信号来实时计算一个人的位置的方法称为几何定轨。

然而，月球上的航天器显然不能保证同时“摩擦”四颗全球定位系统卫星的信号，这就需要另一种定位方法——动态定轨。杨玉光说，例如，月球飞船在1点钟接收卫星A信号，在2点钟接收卫星B信号，在3点钟接收卫星C信号...要实现几何定轨是不可能的，但它最终可以通过在一段时间内从某个弧段的几颗卫星接收数据来计算自己的轨道。只是需要很长时间。

此外，月球导航面临的核心问题是接收信号的强度。杨玉光说，全球定位系统卫星距离地球2万公里，再到月球，距离可能达到40万公里，信号已经很弱。因此，接收月球探测器信号的天线的尺寸成为关键。为了具有更强的信号接收能力，需要一个大的天线，但是从航天器研制和发射的角度来看，天线越小越好，这是矛盾的。

然而，他认为这不是一个无法解决的技术问题，而是需要一些额外的成本。

专家建议建造“月球导航卫星系统”

事实上，自从人类开始空间活动以来，航天器的轨道确定和定位就变得不可或缺。

杨玉光说，以月球探测活动为例，美国的阿波罗任务主要是基于陆基测量和控制进行导航和定位。中国的嫦娥任务也是通过地面测量、控制和定位结合紫外月球传感器和其他传感器实现组合导航。这种方式的定位精度不高，但可以满足绕月或坠月过程的需要。

近年来，人类重新燃起了对月球探索的热情，半个世纪前，人类的目的已经从为政治服务转向开发月球资源。因此，月球探索将变得更加复杂。例如，美国宇航局正在准备宇航员重返月球。它的早期任务包括在月球南极附近的陨石坑里挖掘冰，以获取水生存和分解成燃料所需的氢和氧。未来的美国宇航局宇航员还将会见月球车，补给车，钻井和其他早期发送的设备。这需要相对精确的定位能力，这就是为什么他们想要使用全球定位系统导航。

记者了解到，不仅美国宇航局，而且许多国家的太空专家也在进行月球导航研究。杨宇光认为，未来实现这一目标最直接、最有效的方式是各国共同努力，在近月空间建立一个具有定位和计时功能的时空基准。简而言之，就是建造一个“月球导航卫星系统”。

他说，到目前为止，人类在月球探测活动中使用的导航和定位方法并不十分有效，其中一些方法非常昂贵，难以满足未来月球发展的需要。如果将来能在月球附近部署多颗导航卫星，如地球和月球上的拉格朗日点1和2、月球极点和绕月轨道，就能为月球轨道飞行器和月球着陆器提供准确的位置、速度信息和时间参考，从而使月球探测更加安全和方便。这也将是未来月球基地建设的重要组成部分。

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深空原子钟:航天器的自主导航

普通的领航员让司机随时知道他们的位置和速度。在太空飞行的宇宙飞船和探测器也需要这样的信息。

目前，这些航天器依靠地球上的导航员提供的信息进行导航。具体来说，地面天线通过双向中继系统向航天器发送信号，然后航天器将信号发回。通过测量信号的往返时间，地面原子钟可以帮助确定航天器的位置。这种导航方法意味着，无论太空探索任务在太阳系的什么地方进行，宇宙飞船仍然像一只拴在地球上的风筝，在继续前进之前等待地球的指令。

此外，这种导航方法还面临着一个问题——信号往返时间越长，距离地球越远，从几分钟到几个小时不等。例如，在火星任务中，信号来回需要40分钟。来自地球的导航数据的长传输时间将对导航精度产生负面影响。即使是一秒钟的误差也可能意味着登陆火星的宇宙飞船将掠过100，000公里以外的火星。

为此，美国国家航空航天局(美国航天局)推动了深空原子钟的实验，这些原子钟是由猎鹰重型火箭发射到太空的。据报道，美国宇航局的深空原子钟每秒钟测量的一致性大约是全球定位系统卫星原子钟的50倍——也就是说，每1000万年只有一秒钟的偏差。这种新型原子钟使用带电的汞原子或离子来计时，而目前地球上的全球定位系统卫星上的原子钟使用中性铷原子来计时。因为深空原子钟中的汞原子是带电的，它们将被捕获在电场中，因此不能与它们的容器壁相互作用。相反，全球定位系统原子钟内的这种相互作用会导致铷原子失去节奏。

借助深空原子钟，航天器将利用它来测量跟踪信号从地球到达航天器所需的时间，而无需将信号发回地面原子钟进行测量，这将使航天器能够判断自己的轨道。

能够自我定位和自我导航的宇宙飞船可以让宇航员在不接受地球指令的情况下穿越太阳系。因为宇宙飞船可以自我定位，宇航员可以更灵活地行动，更及时地应对意外情况。