在太空用什么导航（太空导航原理）

本文目录一览：

• 1、脉冲星可以帮助在宇宙中迷路的人类导航吗？
• 2、宇宙飞船究竟是用什么导航的？它为何能准确抵达目的地？
• 3、太空中 GPS 能定位吗
• 4、航天器设施如何导航？
• 5、在太空中迷失方向，用什么办法可以找到方向？
• 6、飞向深空的探测器如何在太空中导航？

脉冲星可以帮助在宇宙中迷路的人类导航吗？

这漫天的星辰，每一颗都是太阳！

在宇宙中，向我们银河系一样的星系大约有2万亿个，我们银河系内和太阳一个级别的恒星约有1000-4000亿颗，在我们的太阳系内，有八大行星和无数的小天体，太阳系半径能够达到1光年。

如此巨大无垠的星空，没有所谓的东南西北，也没有大家熟知的上下左右。我们到现在也无法描述我们地球在宇宙中的精确位置，这意味着，要是我们在宇宙中迷路了，我们根本无法找到返回地球的路。

宇宙是时间和空间的总和，是其中所有物质，能量和事件所构成的一个统一体。在这个宇宙中，有大大小小的天体和天体集合，从彗星，小行星，卫星，行星到恒星，从太阳系，银河系到河外星系，从星团，星云，星系团，大尺度结构到超星系团，从暗物质，暗能量，黑洞到虫洞，宇宙的神秘和广阔是我们无法想象的。

现代宇宙物理学家认为，我们可观测宇宙的直径约为930亿光年，不仅如此，我们的宇宙正在加速膨胀，这意味着每一分每一秒，这个宇宙都在变大。在这种膨胀下，星体正在加速远离我们，也许有一天，这个宇宙就会陷入一片黑暗，目之所及，看不到一个星体。

我们的宇宙真的很大，它的年龄才138亿岁，其中的物质基本上都还都还很活跃，这意味着在这种变化下，我们无法在全宇宙中建立一个通用的定位导航系统。这意味着，假如有一天我们有能力进行星际旅行后，要是我们在宇宙中迷路了，我们可能无法找到返回太阳系，返回地球的路。

地球实在是太小了，太微不足道了，这样的地球真的很难被找到。地球比木星小10倍，直径只有太阳的1/109，地球不能发光，其存在感会完全被太阳遮掩住。如果我们从48亿公里外的海王星上看太阳，这时候太阳也不那么明显了，地球更是无法用肉眼识别了。

那如何建立一套可靠的宇宙导航系统呢？科学家们想到了脉冲星，我们可以利用脉冲星神奇的性质来建立太空脉冲导航系统。

脉冲星本质上就是高速旋转的中子星，由裸露的中子构成，是较大质量恒星在晚年发生超新星爆发后形成的。脉冲星在高速旋转的同时，会周期性释放出强烈的射电脉冲信号，十分具有标志性。科学家们认为，这种特殊而稳定的脉冲信号将有助于人类研究并建立一个覆盖全银河的导航系统。

这个银河定位系统和地球上的GPS系统类似，GPS系统是利用多个卫星的位置与用户接收机之间的距离差，在考虑相对论效应后，综合多颗卫星的数据就能够得到接收机的具体位置。

而银河定位系统的运行相对会很慢，因为银河系的尺度实在是太大了，直径能达到20万光年。想要在广阔的太空中运行，它就要安装X射线望远镜，并且还要设计成一个旋转的样子，指向至少4毫秒的脉冲星。整个定位过程需要至少4颗以上的脉冲星，其中三颗用来告诉飞船他的位置，而第四颗则作为校准卫星，保证时间的统一。

这就是银河导航系统的思路，在人类发射飞往太空的旅行者1号和旅行者2号身上，就携带有人类的位置信息，它们就是以多颗脉冲星的相对位置对地球进行锁定的，这两张携带有人类信息的黄金唱片将会在宇宙中漂泊数亿年而不损坏。

宇宙飞船究竟是用什么导航的？它为何能准确抵达目的地？

关于我们现在人类社会的一个时代发展是非常的快速，其中我们在人类社会的一个建设，还有军事以及航空方面的一个投入，资金也是越来越多。毕竟这。已经变成了我们人类社会的一个重要发展趋势与方向在未来我们人类会向更遥远的宇宙进行探索，那么发展宇宙航空这是必不可少的一个重要条件。而其中我们人类研究的一个科学技术就有宇宙飞船，那么关于宇宙飞船究竟是用什么导航？为何能够准确到达目的地？其中的原因有以下几点。

一、关于宇宙飞船的一个制作。

首先第1点就是关于宇宙飞船的一个制作和作用。现在宇宙飞船成为很多国家都在争先恐后制作了一个宇宙航天器，因为本身宇宙飞船是可以反复使用的，而且宇宙飞船对比箭载器可以携带更多的人上太空。且还可以遨游太空，这无疑可以帮助我们更多人，不用接受太多的一个太空训练，也能进入外太空都能看美丽的宇宙。同时宇宙飞船的制作可能会比火星的麻烦，因为要承受考虑到这样的一个工具制作方面的一个资金投入，还有更多的问题要去研发和突破。

二、通过地球外的卫星进行导航。

其次，另外一点就是通过地球外的卫星进行导航，因为我们人类在我们的外太空附近发射了很多的一个星球，其中有服务于我们地球内部的定位，也有服务于外部的一个定位。定位把宇宙飞船所使用的定位就是服务于外部定位的一个卫星，这样的卫星可以从很远的位置接受来自宇宙飞船发射的定位，帮助其更好的定位位置。

三、许多的距离都是通过科学家精确计算所得出的。

最后一点就是宇宙飞船的一个实际距离和飞行时间在地球上，科学家都是通过精确的计算，每一次出行都是进行过合理的规划，才能完美的到达。

太空中 GPS 能定位吗

GPS是能在太空中用的，而且精度很高。

首先，GPS是什么？

GPS(Global Positioning System）全球定位系统始于20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。理论上，24颗GPS卫星在离地面2万公里的高空上，以约12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点(98%)都可以同时观测到4颗以上的卫星。这样根据三维空间定位原理，就足够实现定位(4颗卫星构建四个方程组解决四个未知数：三维坐标和接收机钟差信息)。后来经过扩展，它的卫星数稳定在32颗左右，它们分布在6个平面上，轨道倾角为55度，达到最优设计。由于卫星的寿命长短不一，美国每年都会发射一些卫星更新这个系统。

GPS信号包括两种，一种是普通民用码，所有的接收机都能用；另一种是军码，不用解释了，除了美国和它的盟友，其他人不要想了。这两个精度差多少，百倍左右，你的手机和车载导航软件里，用的就是普通民码，所以你的精度是定到某条街上。

第二，GPS定位在近地空间能干什么？

它的应用实在太广泛了，因为它是一种无源定位系统。简而言之的原理就是只要你有一个接收机，能接收到它的信号(低于它的轨道高度，20200千米左右，GPS信号都是指向地球发射的)，从理论上讲可以容纳无限个接收机工作，任何一个接收机如果有至少四颗卫星信息就可以定位。所以它的应用可谓从天到地，题主关心的太空，在低轨空间是完全没有任何问题的！下图是欧空局的GOCE(做地球重力与全球洋流的)卫星用GPS定位示意图：

低轨(轨道高度1000千米)是应用最广泛的太空领域，人类的地球观测卫星(各种资源卫星、科学研究卫星比如重力、磁场、洋流、几乎所有的间谍卫星)都处在这个高度范围内，用这个是妥妥的。大致的低轨卫星定位原理是什么呢？

这是我做报告的PPT截图，大概意思是为了确定低轨卫星的轨道：你要有一个高大上的星载GPS接收机（没有几个国家搞得到），很多星上辅助仪器数据(星敏感器、加速度计等等)，加上对地球进行各种复杂动力学建模(重力场、海洋潮汐、太阳光压、地球固体潮、地球大气潮、三体引力等等)，加上工程实践的各种算法中补偿措施，再加上工程实践的经验模型，最后可以算出低轨卫星的轨道，然后打个激光检验一下就知道自己算的精度啦。这应该就是题主说的太空应用，也是GPS在太空的绝大多数应用。

第三，这个应用的精度有多高？

目前的科研进展是，给单个卫星定轨道的精度是实时30厘米/事后定位2厘米左右，这是个什么概念呢？低轨卫星的飞行速度在7000m/s以上，地面上的声速的20倍以上，世界最快飞行子弹(狙击步枪)速度的7倍以上，2厘米的精度是不是很震撼？而且是连续定位，每时每刻都能有很精确的轨道，要知道这些低轨卫星离GPS可是2万公里以上的！

远不止如此，对于编队飞行的卫星，可以形成独特的双差基线，GPS辅助编队卫星的定位精度会大大提高，达到0.5毫米级别(用星上单向的高频精度为微米级的雷达检验)，这个世界记录目前就是我们组保持的。这是个什么概念，如果让两只蚊子共同跳一个华尔兹，一只蚊子在荷兰首都阿姆斯特丹，另一只蚊子在法国首都巴黎，这个精度足够帮它们校正同步动作了。下面是欧洲和美国最近几个任务做出的结果(来自我的科研课题)。

这些精度能满足什么呢？所有类型低轨卫星的精密轨道确定，轨道转移机动，空间交会对接，人类所有的载人航天任务都可以用到，而且GPS带来的精度提高是质变！但很不幸，这些所有的应用必须基于军码，民码根本不可能！

第四，这个的意义是什么？

轨道精确的意义自然不用说，所有的对地观测仪器都需要精确知道它们的位置才能反推并应用它们的数据，否则同样一组数据，你弄不清楚测的到底是北京的还是天津的，还有什么意义？GPS的出现，极大提高了人类的低轨卫星定轨精度，直接往厘米级别冲。

科学应用，举一个最简单的例子，GPS定位的重力卫星因为本身轨道精度大大提高，反向把地球重力场模型精度提高了100倍以上。

军事战略应用，呵呵，美国这么多间谍卫星，动辄拿出吓死人的地面分辨率，能看清车牌能看清一根香烟。试问一句，离了上面精确的轨道可能做到么？

军事战术应用，要知道那是给低轨卫星用，就已经达到了厘米级精度，如果给导弹、战车、单兵、飞机全部都装上会有什么特效？事实上，目前美国基本所有的武器，凡是有导航要求(需要知道自己位置)的，全部都装了GPS。那些夸张精度、战斗力惊人的导弹和炸弹，都有GPS在给出它们位置帮助制导校正，保驾护航。看这个MK-82激光/GPS制导炸弹，GPS天线妥妥的在上面。

这是一个很大很大的棋！

第五，既然GPS是无源定位，理论容量无限，我们为啥还搞北斗？

1. 美帝不会给你接收机的，因为GPS是美国军方搞得也是军方控制的，所有的核心芯片只有美国人能做出来且极其严格保密。所以民用的，拿出来赚钱；军用的，包括低轨卫星上用的，再见，呵呵！即便是欧洲，上面提到的卫星上用的GPS接收机，基本都来自美国航空航天局的喷气推进实验室，绝对垄断。

航天器设施如何导航？

载人航天器在太空飞行期间，空间导航设施起着重要的作用，它是航天交通网的“路标”。空间导航的主要任务是监测航天器距目标的距离，飞行速度以及飞行方向的偏差，导航工作最主要的是进行跟踪测量。

在载人航天的初期，大部分导航工作是由地球上的设备来完成的。航天器本身只完成一小部分。后来由于导航技术的发展，载人航天器本身完成的工作越来越多。可以预测，随着现代计算机和导航设备的性能越来越先进，未来的载人航天器会具有完全独立的空间导航能力。

载人航天器在飞行过程中，在不同的阶段将采用不同的空间导航方法。目前主要的方法如下。

(1)在航天器地面控制飞行期间，可采用无线电测距和甚长基线测量法测速。航天器可以采用惯性测量装置、空间六分仪和光学星图表，使航天员时刻都能知道自己的飞行状态。

(2)载人飞行器在轨道对接时，要进行机动飞行，时刻调整偏差，这时主要采用无线电测距和航天员目视跟踪。

(3)航天器在降落期间可以采用雷达测距和多普勒测速。航天器向地面降落时还可以采用着陆辅助设备。

航天器的空间导航设备主要有地面导航设备和航天器上的导航设备两种。

航天器在大多数阶段都是靠地面导航设备来导航的，美国宇航局主要依靠地面雷达进行跟踪测试，然后再根据信号计算航天器飞行的距离，其精确度可达到几米。

20世纪70年代，美国载人飞船在执行任务期间，主要依靠地面的跟踪测量船，多艘跟踪测量船可以构成一个太空跟踪网。另外还有3个地面测量站，主要分布在加利福尼亚州、澳大利亚和西班牙，基本上覆盖了全球。地面跟踪站从无线电信号提取多普勒速度和距离信息，并通过跟踪站传送到设在加利福尼亚的喷气推力中心实验室的中央计算机，然后对数据进行处理，以及时调整航天器的速度及飞行姿态。

载人航天器上的导航设备主要有惯性测量装置、空间六分仪和光学定位系统。

惯性测量装置最早应用于飞机导航，后经过改进又用到了火箭上，尔后又经过适当改进被用在了载人航天器上，用于测量航天器的飞行姿态、所在位置和飞行速度。美国为“阿波罗号”研制的惯性测量装置是一种典型的导航设备。它由3个常规陀螺仪和3个安装在稳定平台上的加速度表组成。

空间六分仪用于测量瞄准线与各种星体间的角度，用此来测定飞行器的飞行方向。当恒星偏离六分仪的瞄准线时，表明惯性测量仪需要重新对准。

光学定位系统利用目标周围的恒星背景作为确定载人航天器接近目标体的方向。同样载人航天器上也装有目标测距装置和多普勒雷达，在飞行过程中，载人航天器上和地面上的测量系统自始至终共同工作，以达到最高的导航精度。

空间导航与地面导航不同，飞行器的飞行轨道是预先设定好的，在飞行器飞行过程中通过各种仪器描绘出其实际的飞行轨道，然后对比其预先测定的轨道模型，及时修正飞行器的飞行姿态，以完成预定的任务。

在太空中迷失方向，用什么办法可以找到方向？

俄亥俄州哥伦布市——外太空发出明亮的x射线光，同时从各方向发出。但是仔细观察那雾，微弱的，有规律的光点就会显现出来。这些是毫秒脉冲星，城市大小的中子星旋转得非常快，并且比最精确的原子钟更有规律地向宇宙发射x射线。美国国家航空和宇宙航行局希望利用它们在太空中导航探测器和载人飞船。望远镜安装在国际空间站(ISS)，中子星内部成分Explorer(更好的)，被用来与近期发展一个全新的技术。

有了这项技术，就可以把一根针穿线绕到一个行星的轨道上，而不是在飞行中飞行，一个星系定位系统也可以提供一个回退，这样如果一个载人任务失去了与地球的联系，他们仍然拥有自主的导航系统。现在，宇航员需要在绕着遥远卫星轨道上进行探测演习是不可能的。在浩瀚的外层空间中，不可能精确地计算出船只的位置，正好可以点燃它。这就是为什么NASA有许多最著名的行星任务——旅行者1号，朱诺号，和新地平线号——都是飞行的，飞船已经飞近了，但只是过去，主要的行星物体。

依靠地球进行导航也是载人任务的一个问题。如果这个信号，连接地球和一个遥远的宇宙飞船，像一条细长的线，不知何故失去，宇航员将很难找到从火星回家的路。这是银河定位系统的工作原理。银河定位系统在解决这个问题上有很长的路要走，更像是一个脉冲星专家，而不是航海家。而且它还能像全球定位系统(GPS)一样在你的智能手机上运行。当你的手机试图确定它在太空中的位置时，正如Live Science之前报道过的那样，它会用它的无线电收听地球轨道上的GPS卫星发出的精确的时钟信号。然后手机的GPS就会利用这些节拍之间的差异来计算出每颗卫星的距离，并利用这些信息对自己在太空中的位置进行三角定位。

手机的GPS运行速度很快，但是银河定位系统会运行得更慢——花时间穿越深空。它将是一个小型的，旋转安装的x射线望远镜，它看起来很像一个大的，笨重的，被剥离到它的最低的最小的部件。一个接一个地，它会指向至少4毫秒的脉冲星，定时他们的x射线“滴答”，就像一个GPS，乘以卫星的滴答声。其中三颗脉冲星会告诉宇宙飞船它在太空中的位置，而第四颗脉冲星则会校准它的内部时钟，以确保它正确地测量了其他的时间。银河定位系统背后的基本概念并不新鲜。在旅行者号宇宙飞船上安装的著名的黄金记录包含了一个脉冲星图，它指出了任何一天在地球上遇到的外星人。但这将是人类第一次真正使用脉冲星导航，团队已经设法让用户更好地通过太空追踪国际空间站。

飞向深空的探测器如何在太空中导航？

NASA的深空原子钟（Deep Space Atomic Clock）设备只有一台烤面包机那么大，它将为我们解决这些问题。这是第一款体积小、类似全球定位系统（Global Positioning System，GPS）的仪器，在航天器上飞行时稳定性足够强。

这次的技术演示能让航天器知道自己的位置，而无需依赖来自地球的数据。6月下旬，SpaceX的猎鹰重型火箭（Falcon Heavy rocket）会将深空原子钟发射到地球轨道上，并在该轨道上待满一年的时间，测试它是否能够帮助航天器在太空中进行定位。

如果深空原子钟在太空中试验的这一年进展顺利，那么它就能为未来的单向导航打好基础。利用单向导航，宇航员可以通过一种类似GPS的系统在月球表面上进行导航，也可以安全地自主执行任务，前往火星以及更远的太空位置。

“每一个探索深空的航天器都由地球上的导航员引导。通过启用机载自主导航，或自动驾驶航天器，深空原子钟将改变这一状况。”副首席研究员吉尔•舒伯特（Jill Seubert）说道。

深空之中并不存在GPS

其实，太空中的原子钟并不是什么新鲜事物，我们所用的每个内置GPS的设备，例如智能手机，都是通过环绕地球的多颗卫星上的原子钟来确定位置的。已知位置的卫星从太空向地球发送信号，接收器通过测量信号到达GPS的时间长短来三角测量我们的具体位置。

深空原子钟是NASA JPL的一项新技术，或许能会改变飞船和探测器在太空中的导航方式。6月下旬，美国太空探索技术公司SpaceX猎鹰重型火箭将发射轨道试验床卫星（Orbital Test Bed satellite），对于地球之外其他世界里的自动驾驶航天器和类似GPS的导航系统，这种后续的技术演示可能是关键组成部分。

因此，现在采用的方法就是让导航员用地球上的巨型天线向航天器发送信号，然后信号由航天器反弹回到地球。地面上精确度极高的时钟可以测量信号进行双向旅程所需的时间，告诉导航员飞船距离地球有多远、飞行速度有多快。只有这样，导航员才能进一步向航天器发送指示。

但是现阶段，飞到地球轨道之外的航天器则没有GPS给它们在太空中导航。对于行驶在太空中的航天器来说，GPS卫星上原子钟的精确度远远不够，无法发送正确的方向指令，即使信号只滞后或者消失了不到一秒的时间，也可能意味着离登陆一颗行星差了好几公里。