【宇宙探秘】一位天文学家为星际空间旅行设计了一套导航系统
发布于 2021-04-03 20:30
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现在是2021年，我们终于不用太担心我们的飞船在星际空间迷路了。天文学家科林·拜耳·琼斯（Coryn A.L. Bailer-Jones）利用恒星的位置和移动光，无论是近距离还是远距离，证明了宇宙飞船在太阳系之外进行自主飞行导航的可行性。
星际空间导航似乎不是一个紧迫的问题。然而，在过去的十年里，随着第一艘旅行者1号（2012年）和旅行者2号（2018年）越过太阳系边界，人类制造的仪器已经进入了星际空间。
“新视野”加入他们只是时间问题，未来还会有更多的探索。随着这些航天器离地球越来越远，与地球的通信时间也越来越长。
“新地平线”号目前距离地球近14光时，这意味着需要28小时才能发出信号并接收到回应；这不是一个不可能的跟踪和导航系统，而是一个笨拙的系统。
然而，在越来越远的距离上，这将不再可靠。
拜耳·琼斯在其论文中写道：“当到达最近的恒星时，信号将非常微弱，光的传播时间将长达数年。”该论文目前可在预印本服务器arXiv上获得，等待天文学界的同行评审。
“因此，星际飞船必须自主导航，并利用这些信息决定何时进行航向修正或开启仪器。这样的航天器需要能够仅使用船上测量来确定其位置和速度。”
在德国马克斯·普朗克天文研究所工作的拜耳·琼斯并不是第一个想到这一点的人。美国宇航局一直致力于利用脉冲星导航，利用死星的规则脉动作为银河系GPS的基础。这种方法听起来很不错，但由于星际介质对信号的失真，它可能会在更远的距离受到误差的影响。
有了星表，拜耳·琼斯能够证明，根据这些恒星的位置从航天器的角度变化的方式，可以高精度地计算出航天器的六维坐标——三个空间坐标和三个速度坐标。
他写道：“当航天器离开太阳时，由于视差、像差和多普勒效应，观测到的恒星位置和速度将相对于地球星表中的恒星位置和速度发生变化。”
“通过测量成对恒星之间的角距离，并将其与星表进行比较，我们可以通过一个迭代的正演模拟过程来推断航天器的坐标。”
视差和像差都是指由于地球运动引起的恒星位置的明显变化。多普勒效应是恒星发出的光波长的变化，取决于它是靠近观察者还是远离观察者。
因为所有这些影响都涉及到两个天体的相对位置，第三个天体（航天器）在不同的位置将看到不同的恒星排列。
事实上，很难确定到恒星的距离，但我们正在变得更好。盖亚卫星正在执行一项正在进行的任务，以绘制银河系的三维地图，并为我们提供了迄今为止最精确的银河系地图。
拜耳·琼斯用一个模拟的星表测试了他的系统，然后在1997年编制的Hipparcos 星表的附近恒星上，以相对论的航天器速度进行了测试。虽然这不如盖亚精确，但这并不十分重要——目的是测试导航系统是否可以工作。
仅需20颗恒星，该系统就可以确定航天器的位置和速度，精确到3个天文单位和每秒2公里（每秒1.24英里）。这种精度可以提高到恒星数的平方根的倒数；对于100颗恒星，精度下降到1.3天文单位和每秒0.7公里。
有些问题需要解决。该系统没有考虑到恒星双星，也没有考虑到仪器。其目的是表明这是可以做到的，作为实现这一目标的第一步。甚至有可能将其与脉冲星导航一起使用，以便两个系统可能能够最大程度地减少彼此的缺陷。
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编辑：Zero
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