在月球上如何导航？NASA拟拓展GPS服务到月球

为了给即将到来的重返月球计划做准备，美国国家航空航天局（NASA）正在研究将GPS导航拓展到月球，以方便航天器和宇航员在月球上的行动。

GPS是“global positioning system（全球定位系统）”的缩写，这套系统通过人造卫星获取地理位置，这样手机应用就能为用户指明方向，让用户到达新的餐厅。但当你不在地球上时，卫星就不起作用了。

据外媒介绍，NASA想实现的是利用现有的GPS系统，在无需额外在月球上重新建造基础设施的前提下，实现飞船或者与航员在月球上的导航。

“NASA多年来一直在推动高空GPS技术。”MMS系统架构师Luke Winternitz在NASA新闻发布会上表示：“围绕月球的GPS是下一个边界。”

实际上，NASA在4年前就已经成功的将GPS的服务范围扩展到了距离地面十几万公里的太空。2015年NASA为研究“磁重连”现象而发射的4个航天器（任务代号MMS），就是通过GPS系统的精确定位，让4个卫星时刻都保持成一个四面体的结构，最远距离地球15万公里左右。

但月球距离地球有38万多公里的距离，要在月球上要接收信号，就需要在MMS的基础上进一步对接收器的一些参数进行增强，比如高增益天线、增强型时钟和更精密的电子设备等。

据悉NASA已经委托美国马里兰州的戈达德太空中心制造了一个月球GPS接收器的原型机，并准备于近期送往国际空间站进行试验，如果系统可靠性得以验证的话未来月球与地球之间的联系会更加的紧密。

此外，NASA还在推进深空原子钟的试验，这也将改变航天器飞往火星或更远深空的导航方式。目前，深空原子钟已经搭乘“猎鹰重型”火箭进入太空。这意味着，未来深空旅行的导航方式，将由地面主导，逐渐向全球定位系统主导或者自主导航的方式过渡。

未来，有了新的“深空原子钟”后，飞行器就可以过渡到单向追踪。宇宙飞船将利用它携带的这类时钟来测量追踪信号从地球抵达飞船所需的时间，而无需将信号发回地面的原子钟进行测量。这将使飞行器能够判断自己的轨道。

有了更高效的导航，飞行器就能够自我定位，太空探险便可以更加灵活地开展行动，更能及时地对意外情况作出反应。

1969年7月21日，人类首次登上了月球，是人类探索宇宙历史上浓墨重彩的一笔。至今的50年里，人类仍然在不断地对月球进行着探索。美国的NASA计划将于2024年再次登上月球，而中国也计划将于2030年前后实现将宇航员送上月球。

为什么人类要探索月球

月球是地球最重要的天然卫星，对我们有着非常重要的影响，它也有可能是未来人类宜居的理想之处。此外，月球的地质活动没有地球活跃，因此对它表面的研究，比如陨石坑，可以研究早期宇宙的历史，以及地球的起源和过往。月球的重力、月震、矿产资源等多种信息还需人类去探索和挖掘。

总而言之，人类探索月球是认识地球的重要途径，是了解宇宙历史的重要窗口。

为什么探索月球要装GPS定位

早在阿波罗计划登月的时候，就已经遇到了非常棘手的航行问题。要判断在月球的降落点是非常困难的一件事情，月球上是没有大气的，人类观测地平线的方法便会有所不同，因此仅凭借视力是很难判断月球上某一地点与自己的距离的。当宇航员预计要降落到某个陨石坑附近进行岩石和数据的采集时，很难做好距离和位置的判断，因此可能会错过绝佳的收集地点。

此外，之前探测月球的结果显示，月球上可能存在着丰富的冰沉积物，也就是说潜在的水资源对人类未来持续探索有非常重要的意义，因此目前人类正在试图去挖掘月球的冰沉积物。

因此，为了挖掘月球南极附近的环形山，科学家需要将宇宙飞船、月球车、钻井设备等设备准确送到可开采的地方，因此必须要能够在月球上实现定位。

地球GPS的工作原理

从前，若是我们要确定自己身处地球的哪一个地方是非常困难的一件事，但是现在GPS随时随地可以为我们测量所处的位置。地球上的GPS是依靠着围绕着地球的卫星网络而实现的，在这个网络中有数十颗卫星，每颗卫星能够确定自己所处的地方，并且发出恒定的信号，因此我们能通过手机、车载导航等接收器来接受具体的GPS信号。这个GPS的信号是由卫星的轨道位置、其他卫星的位置，以及请求信号发送时间所组成的。

为了能够准确的进行定位，光靠一颗卫星是不行的，至少需要利用四颗卫星发出的信号，而且需要非常精确的定时。当接收器接收到信号时，它会计算出信号返回所花费的时间。使用4颗卫星可以准确提高时间的精度，要知道即使时间的误差只有十亿分之一，在地球上的定位差距也可能有百米之差。

GPS的组成部分

GPS主要有3个组成部分，卫星、地面站和接收器。地面站点是用来检测卫星的运行情况的，而接收器的主要功能是监听卫星发出的信号，接收器会对天体之间的距离或者对离目标对象的距离进行计算。

因此，若是宇航员所乘坐的航天器上具有先进的GPS接收器，那么宇航员能很快地在月球上将地点与精确的地图实时实现数据的配对，明确自己与地球所处的相对位置，不再需要从地球上接受有时间滞后性的指令。

GPS技术所面临的一个较大的挑战是，在高度越低精确性会更高，也就是低于卫星轨道的20115公里。不过NASA的技术有很大的进步，即使是在较高的地方也能确保较高的精确度，随着技术的突破，再次登上月球的难度就大大降低了。

月球上也蹭得到地球的GPS

月球上的卫星导航并不是像地球一样在今日轨道上发射卫星，月球的GPS严格上来说是沾了地球卫星的光，是通过几十颗在地球轨道上运行的导航卫星系统来获取GPS信号和卫星信息的。经过科学家计算，在月球轨道上的航天器能够在固定的时间内读取绕地卫星的信号以确定自己的位置，误差在200-300米之间。

探索月球对人类来说有非常重大的意义，随着对月球探索的深入，人类的登月计划再次启动。因此，如何在月球上准确着陆是一个非常棘手且重要的问题。GPS是人类在地球上准确定位的重要方式，然而直接在月球轨道上发射卫星是难以实现的，因此为了实现月球导航，月球可以蹭地球的GPS从而获得准确的位置。

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