如何在太空中建设GPS系统?你需要精度高出50倍的深空原子钟

如何在太空中建设GPS系统?你需要精度高出50倍的深空原子钟

深空原子钟的漫画图像,这是NASA测试的一项新技术,它将改变人类在太阳系中导航的方式。这个精确的“计时器”定于6月下旬搭载SpaceX公司的猎鹰重型火箭,从佛罗里达州发射升空。 版权:NASA / JPL-Caltech 美国航空航天局(NASA)的导航研究员正在努力规划一个蓝图,让航天器可以自主而安全地飞向月球和火星等目的地。 现阶段,导航员只能在地球上计算航天器的位置,然后将位置数据通过双向中继系统(two-way relay system)发送到太空之中,以此来告诉航天器应该去哪里,而双向中继系统可能需要几分钟到几小时的时间来传送方向。这种导航方法意味着,无论太空探索任务在太阳系中行进至何处,我们的航天器仍然像一只被拴在地球上的风筝,等待来自地球的行进指令。 在未来,对人类登陆另一个星球的任务来说,这种限制是一个明显的掣肘。如果航天器上的宇航员无法即时控制前进的位置和方向,他们如何能够顺利地从地球远航呢?当通信延迟影响到他们调整进入星球大气轨道的速度时,他们又如何能够准确地降落在另一个星球上? 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。 版权:通用原子能电磁系统公司 [rml_read_more] 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。 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,告诉它接下来该怎么走。 “这与回声的概念如出一辙,” 舒伯特说,“如果我站在一座山前,大声喊叫,回声传回我耳边的时间越长,就意味着这座山越远。” 双向导航(two-way navigation)意味着:无论太空探索任务行进到多远的地方,它都必须等待携带命令的信号翻山越岭传回航天器,跨越行星之间难以想象的巨大距离。这样的过程听起来并不陌生,这还的多谢好奇号(Curiosity)这样的火星登陆任务,世界曾等待了长达14分钟的任务控制,让好奇号火星车向地球发出它安全登陆火星的信息。14分钟的延迟是一个平均等待时间:根据地球和火星在各自轨道上的位置不同,单向信号可能需要4到20分钟用于在行星之间传播。 这种导航方式让航天器在深空中的行进缓慢而费力,它让NASA深空网络(Deep Space Network,DSN)的巨型天线繁忙不堪,仿佛通话高峰时的电话线路。在这种信号交换中,一架以每小时数万英里的速度飞行的航天器在“知道”它的位置时,可能已经处于一个完全不同的地方。 更好的太空导航方式 如果有一个足够小又足够精确的原子钟,能够为航天器提供准确的导航指示,那这种双向系统的需求就会不复存在。未来的导航员将可以直接从地球发送信号到航天器,就像在地球轨道上的导航卫星一样,航天器上的深空原子钟将测量来自地球的信号到达它所需的时间,然后,航天器就可以计算自己的位置和轨迹,自己给自己指示方向。 深空原子钟的首席研究员托德•埃利(Todd Ely)表示:“太空船如果能拥有一个原子钟,我们就可以实现‘船载’无线电导航,当与光学导航(optical navigation)结合使用时,就能为宇航员提供更准确、更安全的导航方式。” 这种单向导航系统适用于火星和更远的宇宙探索目的地。通过向空间广播一个信号,DSN的巨型天线将能够一次性与多个任务进行通信,这项新技术也能够提高地球上GPS的准确性。具有深空原子钟的多个航天器可以围绕火星运行,创建出一个类似GPS的网络,为火星上的探测车和人类提供方向指示。 “深空原子钟将有助于导航,这种帮助不局限于地球,在其他星球上也是如此。不妨可以想象成我们在其他星球上也有GPS一样。”领导研发离子钟(ion clock)的埃里克•伯特(Eric Burt)说道。 伯特和喷气推进实验室 (Jet Propulsion Laboratory,JPL)的时钟物理学家同事罗伯特•朱尔克(Robert Tjoelker)和约翰•普雷斯塔基(John Prestage)创造了一种汞离子钟,它在太空中的稳定性与地球上冰箱大小的原子钟一样。在实验室测试中,深空原子钟被证明比GPS时钟要精确50倍,也就是每1000万年才会出现1秒钟的偏差。 深空原子钟在太空中的技术演示至关重要,将决定它是否能在轨道上保持稳定。如果它能表现良好的稳定性,那么最早在21世纪30年代深空原子钟就可以开始执行任务。作为自动驾驶航天器的第一步,有朝一日深空原子钟或许能将人类运送到太空中其他的世界。 深空原子钟位于科罗拉多州恩格尔伍德,装载于通用美国通用原子能电磁系统公司(General Atomics Electromagnetic Systems)提供的航天器上,由NASA太空技术任务理事会(Space Technology Mission Directorate)的技术示范任务计划(Technology Demonstration Missions program)和NASA人类探索和作战任务理事会(Human Exploration and Operations Mission Directorate)的空间通信和导航计划(Space Communications and Navigations program)赞助,由JPL管理该项目。 关于NASA深空原子钟你需要知道的五件事:https://www.nasa.gov/feature/jpl/five-things-to-know-about-nasas-deep-space-atomic-clock 了解SpaceX猎鹰重型火箭(Falcon Heavy)发射中的其他NASA任务(包括深空原子钟),请见:https://www.nasa.gov/spacex 参考: https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7427 https://www.space.com/falcon-heavy-nasa-testing-clean-fuel-stp2.html

再访战神三号的降落地点

再访战神三号的降落地点

2019 June 22 再访战神三号的降落地点 影像提供: HiRISE, MRO, LPL (U. Arizona), NASA 说明: 这张由火星勘测轨道飞行器.高解析科学实验相机(HiRISE)所拍摄的特写影像,呈现了阿希达利亚平原南部的风化撞击坑和风积土。不过,虽然在标准HiRISE相机影像里,这个区域带着深浅不一的迷人蓝色,但是在人类的肉眼里,色彩可能会是偏灰或带点晕红。事实上,人类并未真的看过这片区域,除非你把安迪.威尔所撰科幻小说《火星人》,里头的美国航太总署太空人之双眼给算上。这部小说描述虚构的火星战神三号任务太空人马克.华特尼,困在火星之时的探险故事。而任务降落地点的座标,就位在这片经过裁切的HiRISE影像视野之内。作为度量尺标,华特尼所居住的6米直径火星屋,相当于影像中较大型撞击坑直径的十分之一。战神三号虚构降落地点的座标,大约在1997年探路者号(真实任务)降落点的卡尔.萨根记念站北方800公里之处。 (Ares 3 战神三号; Acidalia Planitia 阿希达利亚平原) Ares 3 Landing Site: The Martian Revisited Image Credit: HiRISE, MRO, LPL (U. Arizona), NASA Explanation: This close-up from the Mars Reconnaissance Orbiter’s HiRISE camera shows weathered craters and windblown deposits in southern Acidalia Planitia. A striking shade of blue in standard HiRISE image colors, to the human eye the area would probably look grey or a little reddish. But human eyes have not gazed across this terrain, unless you count the eyes of NASA astronauts in the scifi novel The Martian by Andy Weir. The novel chronicles the adventures of Mark Watney, an astronaut stranded at the fictional Mars mission Ares 3 landing site corresponding…

随着X-57 Mod II初具规模,标志着全电动飞机发展的新里程碑

随着X-57 Mod II初具规模,标志着全电动飞机发展的新里程碑

作为综合旋转测试的一部分,X-57 Mod II全电动飞机的电动机和螺旋桨将首次通电并一起旋转。Scaled Composites的项目工程师克里斯•希格比(Chris Higbee)出现在Mod II型飞机的驾驶舱里。背景中沿着山坡看到的风力涡轮机展现了全电动飞机未来的景象,未来X-57的最终阶段被称为Mod IV,它的机翼将集成12个发动机舱,最终将容纳12个小型电动高扬程电机和螺旋桨。 The electric motors for X-57’s Mod II vehicle and their propellers were powered up and spun together for the first time as part of an integrated spin test. Chris Higbee, Project Engineer at Scaled Composites, is seen in the cockpit of the Mod II vehicle, which is the aircraft’s first of three electric configurations. The wind turbines seen along the hillside in the background illustrate an impression of the future final phase of X-57, known as Mod IV, which will feature 12 small electric high-lift motors and propellers along its wing. Image Credit: NASA/AFRC Video/Steve Parcel

2008年至2300年,模拟的格陵兰冰盖变化

2008年至2300年,模拟的格陵兰冰盖变化

1991年至2015年间,由于大气和海洋温度的不断上升,冰层融化,导致全球平均海平面上升超过了1厘米。上面这段视频,模拟了2008年至2300年,格陵兰冰盖的变化,如果格陵兰冰盖全部融化的话,可使全球平均海平面上升7米。 2008年至2300年,模拟的格陵兰冰盖变化

落日时分的日行迹

落日时分的日行迹

2019 June 21 落日时分的日行迹 影像来源及版权: Marcella Giulia Pace 说明:今天世界时间15点54分夏至来临之时,太阳在其每年穿过地球天空的旅程中会到达赤纬最北的位置。在天文学上,夏至标志着北半球夏季和南半球冬季的开始。今天也是北半球日出到日落之间白昼最长的一天。实际上,夏至的太阳位于这幅合成影像的顶部附近,也就是由太阳位置绘制的日行迹或8字曲线最北点。这道日行迹是由从2018年6月21日到2019年6月7日,每十天在同一时间拍摄的影像构建而成。拍摄时间被选择为一年中日落时间最早的冬至附近,因此日行迹的最低点正好与影像左侧一览无余的海平面相接。沿地平线向右(北)分布的落日以秋分的落日为中心,以夏至的落日结束点。 Sunset Analemma Image Credit & Copyright: Marcella Giulia Pace Explanation: Today, the solstice is at 15:54 Universal Time, the Sun reaching the northernmost declination in its yearly journey through planet Earth’s sky. A June solstice marks the astronomical beginning of summer in the northern hemisphere and winter in the south. It also brings the north’s longest day, the longest period between sunrise and sunset. In fact the June solstice sun is near the top, at the most northern point in the analemma or figure 8 curve traced by the position of the Sun in this composite photo. The analemma was created (video) from images taken every 10 days at the same time from June 21, 2018…

RockOn!和RockSat-C:把学生实验设备发射到太空

RockOn!和RockSat-C:把学生实验设备发射到太空

2019年6月20日美国东部时间周四凌晨5点30分,一枚40英尺高的火箭从美国宇航局位于弗吉尼亚州的瓦勒普斯飞行基地发射升空,火箭上载有28个学生实验设备(测量加速度、湿度、压力、温度和辐射计数)。 这次发布是RockOn!项目的一部分!这个项目旨在帮助学生学习和应用亚轨道太空飞行建筑实验技能的课程。来自美国各地的200多名大学生见证了他们在美国宇航局亚轨道探测火箭上进行的实验。 参与者在RockOn!接收关于开发用于亚轨道火箭飞行的科学有效载荷所需的基础知识的指导。在学习了RockOn!的基础知识后,学生可以参加RockSat-C项目,在这个项目中,他们在整个学年期间设计并构建一个更复杂的实验。 At 5:30 a.m. EDT Thursday, June 20, 2019, a 40-foot tall rocket carrying 28 student experiments (measuring acceleration, humidity, pressure, temperature and radiation counts) launched from NASA’s Wallops Flight Facility in Virginia. The launch is part of the RockOn! programs designed for students to learn and apply skills in building experiments for suborbital space flight. More than 200 university students from across the United States witnessed the launching of their experiments aboard a NASA suborbital sounding rocket. Participants in RockOn! receive instruction on the basics required to develop a scientific payload for flight on a suborbital rocket. After learning the basics in RockOn!, students may then participate in RockSat-C, where during the school year they design and build a more complicated experiment….

M106方向的景观

M106方向的景观

2019 June 20 M106方向的景观 影像来源:Phil Keyser 说明:这幅宇宙远景图呈现了庞大、明亮又美丽的旋涡星系M106。这幅跨度将近2度的望远镜视野朝向北斗七星杓柄附近的猎犬座方向眺望。亦称为NGC 4258的M106是猎犬座II星系群中最庞大的成员,其大小约为8千光年,距离我们约2,350万光年远。作为一个遥远的星系,M106的距离非常精确,部分是因为我们能够通过追踪这个星系的微波激射来测量距离。这种非常罕见却自然发生的微波激射辐射是由环绕活跃星系核的分子云中的水分子产生的。影像中另一个耀眼的旋涡星系是位于M106右下方、几乎侧向的NGC 4217。NGC 4217距离测量的精确度要低很多,估计约为6千万光年。 A View Toward M106 Image Credit: Phil Keyser Explanation: Big, bright, beautiful spiral, Messier 106 dominates this cosmic vista. The nearly two degree wide telescopic field of view looks toward the well-trained constellation Canes Venatici, near the handle of the Big Dipper. Also known as NGC 4258, M106 is about 80,000 light-years across and 23.5 million light-years away, the largest member of the Canes II galaxy group. For a far away galaxy, the distance to M106 is well-known in part because it can be directly measured by tracking this galaxy’s remarkable maser, or microwave laser emission. Very rare but naturally occurring, the maser emission is produced by water molecules in molecular clouds orbiting its active…

看看X-59 QueSST的驾驶舱

看看X-59 QueSST的驾驶舱

美国国家航空航天局(NASA)的X-59安静超音速技术(简称QueSST)飞行员将驾驶一架不同于其他飞机的飞机,在驾驶舱中进行空中航行。X-59不会有朝前的窗户,是的,它实际上是一个4K显示器,作为中央窗口,让飞行员可以安全地看到自己飞行路线上的交通状况,并为机场进近、着陆和起飞提供额外的视觉辅助。4K显示器是飞机外部可视系统(XVS)的一部分,它显示飞机外部两个摄像头的拼接图像,结合先进计算系统的地形数据。然而,这两个入口和传统的顶篷是真正的窗户,帮助飞行员看到地平线。XVS下方的显示屏将提供各种飞机系统和轨迹数据,供飞行员安全飞行。 XVS是几种创新的解决方案之一,可以帮助确保X-59的设计形状能将音爆减弱到地面上的人听到的轻微撞击声一样小。虽然X-59并不打算搭载乘客,但X-59动臂抑制技术和社区响应数据可能有助于解除当前对陆地超音速飞行的禁令,并使新一代安静的超音速商用飞机成为可能。 The pilot of NASA’s X-59 Quiet SuperSonic Technology, or QueSST, aircraft will navigate the skies in a cockpit unlike any other. There won’t be a forward-facing window. That’s right; it’s actually a 4K monitor that serves as the central window and allows the pilot to safely see traffic in his or her flight path, and provides additional visual aids for airport approaches, landings and takeoffs. The 4K monitor, which is part of the aircraft’s eXternal Visibility System, or XVS, displays stitched images from two cameras outside the aircraft combined with terrain data from an advanced computing system. The two portals and traditional canopy are real windows however, and help the pilot see the horizon. The displays below the XVS will provide a variety…

地球淡水的未来:极端的洪水和旱灾

地球淡水的未来:极端的洪水和旱灾

关注淡水:通过预测旱灾和洪水,跟踪藻类的爆发,美国国家航空航天局(NASA)对全球淡水的研究发现及观点帮助人们更好地管理水资源。 版权:NASA /Katy Mersmann NASA的卫星是研究和说明水的重要工具,因为水分不断地循环,从水蒸气到通过降雨和降雪的形式落在土壤里,再到地面和地面以下。由于温室气体导致地球大气变暖,卫星数据记录也越来越长、越来越详细,科学家们正在研究气候变化是如何影响水资源分布的。 研究发现,各种趋势正在开始出现,特别是洪水和旱灾的频率和严重程度将出现极端情况。这些趋势影响着从当地天气到农作物生长地的方方面面,其后果将在当前和未来几个世纪波及整个社会。 当考虑到地球上水资源分布的变化时,不仅要知道哪里下雨或者不下雨,还要知道雨量多少,以及大雨和小雨下得多频繁。降雨量会影响土壤的饱和度,以及溪流和河流的水位,从而改变它们在另一场风暴中容纳更多雨水的能力。缺少雨水会对植被和补充水源造成压力,而当降雨频率增加时,这些水源在下一个干旱期之前很难得到恢复。 随着更多的强降雨事件,各社区出现小型洪水的可能性将增加。 版权:NASA NASA的卫星数据和地面测量数据支持对水资源分布长期变化的研究。其中之一是美国国家气候评估(U.S. National Climate Assessment),该报告研究气候变化及其对美国各区域产生的潜在影响。 例如,在这些变化中,美国各地观测到的特大降水事件有所增加。从1958年到2016年,美国东北部各州的暴雨事件增加了55%,中西部各州增加了42%,东南部各州增加了27%。西部各州的暴雨事件也有小幅增加,摧毁了当地集水区吸收过量降水的能力。 水文学家克里斯塔•彼得斯-利达德(Christa Peters-Lidard)是位于马里兰州绿带的NASA戈达德太空飞行中心的地球物理学家,同时也是水文和生物圈部门副主任。Peters-Lidard表示:“当你考虑改变降水分布的时候,你就会开始想,如果降雨量增加,就意味着洪水泛滥。如果将有更多的暴雨事件发生,很大可能会发生在没有洪水防御设计的地区,这意味着我们需要考虑如何将我们的基础设施设计得更有能力适应更多暴雨事件,并对我们设计一些桥梁和排水系统的方式进行反思。” Peters-Lidard对不断变化的暴雨模式对在不同条件下建立的社区所造成的实际影响并不陌生。在过去的五年里,她的家乡马里兰州埃利科特市(Ellicott City)经历了两场千年一遇的大洪水,摧毁了许多企业和房屋。她说:“这对社区造成了毁灭性的影响。”为了应对洪水和可能发生的更多小型洪水事件,她表示:“我们正在重新考虑主要街道,以及我们应该在哪里重建、不应该在哪里重建。” [rml_read_more] NASA的科学家们利用树木年轮来了解过去的旱灾情况,并结合土壤水分数据建立气候模型来估计21世纪未来的旱灾风险。 版权:NASA 但是,尽管一些地区预计将变得更加潮湿,其他地区将变得更加干燥。越来越高的气温和不断改变的降水模式可能导致旱灾,且NASA的研究表明人类已经影响全球干旱模式近一个世纪。 NASA戈达德太空研究所和和美国纽约哥伦比亚大学的研究人员凯特•马弗尔(Kate Marvel)和本•库克(Ben Cook)使用历史气象数据和树木年轮计算的干旱地图,研究人类对20世纪干旱模式的影响。他们发现,早在20世纪初,就出现数据“指纹”,即一种预计会随着温室气体排放而发生的干燥和湿润的模式。 根据这种“指纹”预测,亚洲部分地区将因温室气体排放而变得更加潮湿,而美国西南部、中美洲和欧洲地区将变得更加干燥。当研究人员将这些数据与实际数据进行对比时,发现这种模式出现于20世纪初。它在1950年后短暂下降,大概是由于大气污染程度较高,但在最近几十年又重新出现,而且越来越强。 Cook表示,证明人类在过去影响了全球干旱模式是理解我们在未来可能如何影响这些模式的一个重要部分。 Cook说:“气候变化不仅仅是未来的问题,该研究表明气候变化已经在影响全球旱灾、水文气候、趋势和变化模式,并且现在正在发生当中。我们预计,如果我们继续让世界变暖,这些趋势就会一直持续下去。” 展示气候模型准确描述过去旱灾的能力,有助于确认它们模拟未来旱灾的能力。Cook的另一项研究显示,如果温室气体排放沿着目前的轨迹继续增长,美国西南部的“超级飓风”可能会持续30多年。Cook和他的团队运行了17种不同的气候模型,这些模型结果均显示未来可能会出现更长时间且更严重的旱灾。 该团队也是第一个将他们的预测结果与远古的关于旱灾的古气候记录进行比较的团队,比如1100年至1300年间的北美旱灾。这使他们能够研究比现代记录中任何旱灾都严重的旱灾,并了解如何与预测的未来旱灾进行比较。他们发现,未来的“特大旱灾”持续的时间可能与以往旱灾一样长,甚至更长,而且可能会更干旱。 根据这些气候预测,淡水的未来将充满极端:旱灾将在一些地区对动植物和人类的安全、健康、食物和水供应构成严重挑战,而洪水也将在其他地区造成同样的后果。随着淡水在地球上流动,NASA的科学研究不仅在预测这些极端挑战方面至关重要,同时也对应对这些挑战的准备方面至关重要。 来源: https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/earth-s-freshwater-future-extremes-of-flood-and-drought

阿波罗11号发射倒计时

阿波罗11号发射倒计时

1969年6月,就在发射前一个月,阿波罗11号的宇航员在美国宇航局肯尼迪航天中心继续为他们的登月任务进行训练。6月18日,尼尔·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)和巴兹·奥尔德林(Buzz Aldrin)在飞行训练大楼演练了他们的月球表面太空行走,包括练习部署早期阿波罗表面实验套件(EASEP)的一系列实验。实验研究人员到场观察了演练过程。宇航员们还在登月舱和指挥舱模拟器中花费了大量时间演练即将到来的任务的各个阶段。休斯顿载人航天中心任务控制中的飞行控制器团队也参与了其中的许多演练。 1969年6月19日,在肯尼迪航天中心,指挥舱(CM)飞行员迈克尔·柯林斯在CM模拟器中练习。 In June 1969, just a month before liftoff, the Apollo 11 astronauts continued training at NASA’s Kennedy Space Center for their mission. On June 18, Neil Armstrong and Buzz Aldrin rehearsed their lunar surface spacewalk in the Flight Crew Training Building, including practicing deploying the Early Apollo Surface Experiment Package (EASEP) suite of experiments. The investigators for the experiments were present to observe the simulation. The astronauts also spent much time in the Lunar Module and Command Module simulators rehearsing various phases of their upcoming mission. For many of these simulations, the team of flight controllers in Mission Control at the Manned Spacecraft Center in Houston also participated. In this image, Command Module (CM) pilot Michael Collins practices in the CM…