science >> Wetenschap > >> Astronomie

Hoe wordt GPS gebruikt in ruimtevluchten?

Onze GPS-satellietconstellatie is geweldig maar beperkt. Foto met dank aan het Amerikaanse ministerie van Defensie

DONNER-FEEST AANKOMT IN CALIFORNI, EERLIJK WEER EN VEILIG REIZEN BEWEZEN

Dit had een kop kunnen zijn die in de herfst van 1846 is geschreven als George en Jacob Donner toegang hadden tot het Global Positioning System, een zeer nauwkeurige navigatietechnologie die vertrouwt op signalen van een reeks satellieten die rond 12 draaien, 500 mijl (20, 200 kilometer) boven het aardoppervlak [bron:GPS.gov]. Helaas voor de gebroeders Donner en hun noodlottige groep pioniers, GPS zou nog 100 jaar R&D vergen, hen achterlatend om hun weg naar Californië te vinden met behulp van kompassen, kaarten en slecht advies. Uiteindelijk, hun lange reis veranderde in een kronkelige nachtmerrie. Ze raakten ingesneeuwd in de bergen van de Sierra Nevada, waar velen in hun partij stierven voordat redders hen in de lente konden bereiken.

Ruimtevarende ontdekkingsreizigers kunnen met soortgelijke tragedies worden geconfronteerd als ze geen betrouwbare methode kunnen vinden om zich te oriënteren terwijl ze naar verre planeten reizen en, misschien, verre sterren. GPS lijkt de logische kandidaat voor dergelijke inspanningen, maar het systeem werkt alleen als je reis beperkt is tot aardse bestemmingen. Dat komt omdat de 24 satellieten waaruit het GPS-"constellatie" bestaat, hun signalen naar de aarde zenden. Als je je onder de satellieten bevindt en een ontvanger hebt die de signalen kan detecteren, u kunt uw locatie betrouwbaar bepalen. Cruisen langs het aardoppervlak? Je bent klaar om te gaan. Vliegen in een lage baan om de aarde (LEO)? Je bent gedekt. Waag je boven LEO, echter, en uw handige GPS-ontvanger zal zich snel boven de satellietconstellatie bevinden en, als resultaat, geen signaal meer kunnen opnemen. Anders gezegd:GPS-satellieten zenden alleen naar beneden, niet op.

Dit betekent niet dat missies naar bestemmingen buiten de aarde blind moeten vliegen. De huidige navigatietechnieken maken gebruik van een netwerk van aardgebonden volgstations die omhoog kijken en de ruimte in kijken. Wanneer een raket onze planeet verlaat naar Mars, Jupiter of verder, grondpersoneel straalt radiogolven uit van de volgstations naar het schip. Die golven weerkaatsen van het vaartuig en keren terug naar de aarde, waar instrumenten de tijd meten die de golven nodig hadden om de reis te maken en de verschuiving in frequentie veroorzaakt door het Doppler-effect. Met behulp van deze informatie, grondpersoneel kan de positie van de raket in de ruimte berekenen.

Stel je nu voor dat je naar de buitenste regionen van het zonnestelsel wilt reizen. Als je ruimtevaartuig Pluto bereikt, je wordt 3, 673, 500, 000 mijl (5,9 miljard kilometer) verwijderd van de aarde. Een radiosignaal verzonden door een volgstation zou 5,5 uur nodig hebben om je te bereiken en dan nog eens 5,5 uur om terug te reizen (ervan uitgaande dat de golven met de snelheid van het licht reizen), waardoor het moeilijker wordt om uw exacte locatie te bepalen. Nog verder reizen, en de nauwkeurigheid van aardgebonden volgsystemen neemt nog meer af. Duidelijk, een betere oplossing zou zijn om een navigatie-instrument op het ruimtevaartuig te plaatsen, zodat het zijn positie onafhankelijk kan berekenen. Dat is waar pulsar navigatie , een innovatie van NASA's Goddard Space Flight Center, komt binnen.

Navigeren op neutronensterren

GPS gebruikt nauwkeurige tijdmetingen om berekeningen te maken. Elke GPS-satelliet bevat een atoomklok, en zijn tijd wordt gesynchroniseerd met die van een ontvanger. Een ontvanger kan het bereik tot de satelliet berekenen door de tijd die het signaal van de satelliet nodig heeft om de ontvanger te bereiken te vermenigvuldigen met de snelheid van het signaal, dat is de snelheid van het licht. Als het 0,07 seconden duurt voordat het signaal van een satelliet de ontvanger bereikt, dan is het bereik van de satelliet 13, 020 mijl (186, 000 mijl per seconde × 0,07 seconden).

Een raket zou soortgelijke berekeningen kunnen maken als hij tijdsignalen zou kunnen ontvangen die worden uitgezonden door iets in de ruimte. Met wat geluk, het universum bevat meer dan een paar zeer nauwkeurige tijdwaarnemingsapparaten. Ze staan bekend als pulsars -- snel roterende neutronensterren die regelmatige pulsen van elektromagnetische straling uitzenden. Op een bepaald moment in zijn leven, een pulsar leefde groot en brandde helder. Toen gebruikte het zijn nucleaire brandstof en stierf in een enorme explosie. Het product van die explosie was een snel draaiende, sterk gemagnetiseerd object waarvan de polen krachtige energiestralen uitzonden. Nutsvoorzieningen, terwijl de dode ster draait, de stralen zwaaien rond, net als het baken van een vuurtoren. Een waarnemer op aarde kan de ster zelf niet zien, maar hij kan de lichtpulsen zien die door de ruimte stromen.

Sommige pulsars knipperen om de paar seconden aan en uit; anderen knipperen veel sneller. Hoe dan ook, ze pulseren altijd met een constante frequentie, waardoor ze nuttig zijn bij het bijhouden van de tijd. In feite, als tijdwaarnemingsapparaten, pulsars wedijveren met atoomklokken in termen van hun precisie. 1974, een wetenschapper van het Jet Propulsion Laboratory - GS Downs - kwam voor het eerst op het idee om pulsars te gebruiken om ruimtevaartuigen door de kosmos te helpen navigeren. Het concept bleef op papier omdat wetenschappers nog steeds niet genoeg wisten over de raadselachtige sterren en omdat de enige beschikbare instrumenten om pulsars te detecteren - radiotelescopen - enorm waren.

Door de jaren heen, het veld gevorderd. Astronomen bleven pulsars ontdekken en hun gedrag bestuderen. 1982, bijvoorbeeld, wetenschappers ontdekten de eerste milliseconde pulsars, die perioden van minder dan 20 milliseconden hebben. En in 1983, ze ontdekten dat bepaalde millisecondenpulsars sterke röntgensignalen uitzonden. Al dit werk maakte het mogelijk om pulsarnavigatie van papier naar praktijk te verplaatsen.