如何定位火星?

对于现代人来说,确定位置变得如此简单,因为我们头顶上至少有四个全球定位系统,即GPS、GLONASS、北斗和伽利略。都可以消除10米以内的定位误差,但它只能留在地球上。这种定位技术在出近地轨道时将失效,执行深空任务的探测器将需要更先进的定位方法。

惯性定位

其实惯性定位的原理很简单,就是出发前拿一个惯性测量单元(加速度计+陀螺),然后检测沿途陀螺的变化,通过积分计算得到速度和位置。

惯性导航的一个优点是可以在不与外界有任何联系的情况下定位自己,这对于在深空执行任务的洲际导弹或探测器来说非常明显。当然它也有一个最大的缺点,就是累积误差,这个误差久而久之最终会达到不称职的定位。

基于超长基线测量定位技术的三角差分单向测距

在大家的印象中,这项技术是用来观测天体的。比如M87*黑洞的拍摄,就采用了超长基线观测技术。地球上的毫米波/亚毫米波射电望远镜加起来有一半,观测数据大概需要十天。最后,需要几年时间才能得到黑洞的照片。

所以在大家的印象中,非常长的基线只能用来观测,但是观测天体的原理和观测探测器是一样的。探测器发出的无线电信号到达地球上不同的VLBI成员,于是发展了一种基于VLBI的定位技术:三角差分单向测距,即Delta差分单向测距。这一发展和上世纪70年代的定位方法,在月球探测和在木星轨道旅行者定位方面取得了很好的效果。

其精度取决于信号接收天线的增益和VLBI天线之间的基线长度。距离越远,准确度越高。但是有一个问题,太远的话会因为地球的曲率而被地面遮挡。因此,如果天线继续在地面,定位精度会随着目标距离的增加而降低,但在月球轨道上可以达到米级精度。

DOR的技术最早是美国人研究的,技术也是最强的。ESA在1986开始涉足研究,日本航天局在2003年开始涉足。目前,这两家公司仍在与美国国家航空航天局合作,中国的DOR定位技术始于2004年7月,目的是为嫦娥工程准备铺路石。

基于天文定位的天文导航

天文导航大家应该都不陌生,是现代航海中不可或缺的导航技术。根据精确的时间,我们可以确定普通恒星的角度,并计算出船在海洋中的当前位置。而在太阳系中,探测器位置的微小变化并不像在地球球面上那么容易定位,所以遥远恒星的导航在太阳系中并不可行,但对天文学家来说却很难。

1,基于太阳和行星位置的导航

当然,这需要一个星表,也就是太阳系各大行星位置和运动的数据库。通过用星载望远镜测量与这些行星的角度,可以计算出探测器本身的当前位置。这不依赖于地球基站,也是自主导航的方式之一。其他任务甚至使用小行星的位置来测量自己的位置,但这只是小行星带中的任务偶尔使用。

旅行者1号在1990年2月拍摄的太阳系合成照片。

一般来说,定位不是单一使用,而是综合多方数据后再确定自己的位置,所以精度会更高。

2.基于脉冲星位置实现自身的精确定位。

而脉冲星的无线电波段天线过于庞大,所以如果需要在深空进行脉冲星定位,至少需要X射线波段,这样可以缩小天线尺寸,以便深空探测器携带。但是脉冲星并不是有明显信号的天体,所以脉冲星定位理论上很完美,但实际操作起来并不是一般的困难。

旅行者1号的镀金记录是太阳系到14脉冲星的位置。理论上,只要天线获得足够的信号,自身定位是没有问题的。

在银河系中,如果建立一个银河系周围的脉冲星目录,这个范围内的定位问题理论上不是特别大。但是由于尺度的扩大,本身在定位的天体也在运动,定位精度会降低。然而,在更大的范围内,这并不是主要问题。如果走出银河系,我们只能参考自己星系内部的星系角度定位,甚至更大的超星系团。但是,现在考虑这样的问题,毕竟还为时过早。