科普知識:航天器的定位


科普知識:航天器的定位

我們所處的宇宙,是在不停的轉動著,存在一個慣性,航天器如何在太空中定位,這涉及到座標和導航,因此這是兩個必須處理好的問題。

宇宙中任何一個物體都在一定的慣性系裡運動,這個慣性系,相對於其中運動著的物體都是靜止的。

科普知識:航天器的定位


如我們在一列高鐵上,高鐵以每秒100米的速度前進,而我們也在以同樣速度前進,但列車如果不晃動不看窗外就會感覺不到,所以高鐵相對我們就是靜止的。我們在高鐵裡走來走去,蹦跳嬉鬧,只是相對高鐵在做運動,與其他參照系毫無關係。

但在高鐵裡就沒法確定東南西北,只能確定上下左右,要確定東南西北就需要在高鐵慣性系以外尋找參照系,比如知道珠穆朗瑪峰在西南方向,我們朝那邊開就是西南。

在太陽系這個慣性系,太陽就是這個系的老大,相對我們就是靜止的。

我們地球圍繞著太陽運動,遠日點為1.52億公里,近日點為1.47億公里,這是相對太陽而言。其實太陽也在圍繞著銀河系中心質點公轉,每秒為250公里,約2.5億年轉一圈。因此太陽在銀河系這個慣性系裡,銀河這個16萬光年的大圓盤就是相對靜止的。

我們在太陽系裡面運行,與太陽在銀河系公轉毫無關係,因為我們也在跟著公轉。

所以我們的探測器在太陽系裡飛行,在太陽系裡確定座標就行了。要出太陽系,就不能以太陽系的天體來參照了。

人類航天器現在還沒有飛出太陽系呢,所以只是在太陽系這個慣性系裡相對太陽做一些運動而已,這與宇宙在運動毫無關係。

雖然如此,為了更精準的深空導航,對於遠距離飛行的探測器,科學家們還是會用太陽系外的一些天體為座標,來確定航天器的走向。

定位實際上就是確定自己和目標的座標,從而起到導航的作用。

在地球上導航和定位,就是以地球為慣性系,地球相對這個慣性系裡的物體就是靜止不動的。

現在有了咱們的北斗導航系統,就是利用在空間能夠掃描全範圍覆蓋地球的多個導航衛星,根據人類把地球按經緯度劃分出的每一個座標點進行實時定位。

科普知識:航天器的定位


一般來說在太陽系裡航行,我們只要以太陽為基點,就可以測算出自己所在的位置和目標所在的位置。

航天探測器都是無人自動控制,只要在導航系統中設定了目標位置就行了,它就會按照設定好的目標航向飛到既定的地方。

當然說是容易,做起來其實沒有這麼簡單,比如我們要去的任何天體都是在圍繞著太陽公轉,一些衛星還圍繞著行星公轉,這就要精密計算出它們的軌道,並與飛到那裡的時間相吻合。

探測器在飛行過程中會受到路途各種引力的影響,有時還要採用引力彈功效應提速,這樣航向和速度都會變化和偏差,這就要有糾正機制和深空網絡的指令,而飛行器飛遠了這種指令會延遲,就要計算提前量和預測等等。所以說這是一個非常複雜的系統。

探測器要出太陽系,就必須以太陽系外的天體來參照了。

實際上,現在航天界在太陽系裡面航行也已經開始採用銀河系座標了,這個座標就是脈衝星。

脈衝星是上世紀科學界發現的一種特殊天體,是中子星的一種,自轉速度非常快,可達一秒鐘千轉以上。由於其自轉軸和磁場射線方向有一定的角度,不在一條直線上,這樣脈衝星旋轉起來從磁場射出的強大能量流就會隨著自轉,像燈塔一樣掃射太空。

這種能量掃過地球,被地球所捕捉,就發現了脈衝星。

現在人類已經發現了兩千多顆脈衝星,分佈在銀河系的各個方向,由於它們像恆星一樣位置的相對固定,不斷的發射著像脈搏一樣既有規律又準確的電磁脈衝,成為了人類航天的指路明燈。

就像古代行船在黑咕隆咚茫茫大海,看到遠方熟悉的燈塔,就知道到了哪裡應該怎麼走了。

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