Międzyplanetarny GPS wykorzystujący sygnały pulsarowe

Nawigacja w kosmosie to trudna sprawa. Zwykła metoda opiera się na ziemskich stacjach śledzących, które obliczają odległość statku kosmicznego za pomocą fal radiowych, procesu, który jest dokładny z dokładnością do około metra.

To dobrze dla odległości promieniowej, ale śledzenie pozycji kątowej statku kosmicznego jest znacznie trudniejsze ze względu na ograniczoną rozdzielczość kątową anten radiowych. Obecna technologia generuje niepewność około czterech kilometrów na jednostkę odległości astronomicznej między Ziemią a statkiem kosmicznym.

Tak więc dla statku kosmicznego w odległości Plutona jest to niepewność 200 kilometrów, a dla odległości Voyagera 1 niepewność wynosi 500 kilometrów.

Tak więc sposób, w jaki statek kosmiczny mógłby dokładnie określić swoją pozycję, byłby z pewnością przydatny.

Dzisiaj Werner Becker z Instytutu Fizyki Pozaziemskiej im. Maxa Plancka w Niemczech wraz z kilkoma kolegami opracowali praktyczne szczegóły systemu nawigacji autonomicznego statku kosmicznego wykorzystującego sygnały pulsarów. Mówią, że rozwijana obecnie technologia pozwoliłaby statkom kosmicznym określić swoją pozycję z dokładnością do pięciu kilometrów w dowolnym miejscu Układu Słonecznego.

Pomysł wykorzystania pulsarów do nawigacji w kosmosie sięga kilkudziesięciu lat wstecz. Jednak Becker i wsp. twierdzą, że wcześniejsze analizy były utrudnione przez ograniczoną wiedzę na temat pulsarów i stosunkowo obszernej technologii, która była dostępna do ich wykrywania. Obie te rzeczy zmieniły się dramatycznie w ostatnich latach.

Po pierwsze, liczba znanych impulsów znacząco rośnie. Astronomowie są świadomi istnienia znacznie ponad 2000 pulsarów i oczekuje się, że następna generacja obserwatoriów radiowych ujawni dziesiątki tysięcy kolejnych.

Podstawową ideą tego międzyplanetarnego systemu nawigacji jest wykorzystanie sygnałów z tych pulsarów zasadniczo w taki sam sposób, w jaki używamy satelitów GPS do nawigacji po Ziemi. Mierząc czas nadejścia impulsów z co najmniej trzech różnych pulsarów i porównując go z ich przewidywanym czasem nadejścia, możliwe jest wyznaczenie pozycji w przestrzeni trójwymiarowej.

(Ponieważ pulsary wytwarzają strumień identycznych impulsów, można przy tym wygenerować dowolną liczbę niejednoznacznych rozwiązań. Becker i wsp. zwracają jednak uwagę, że można je wyeliminować, ograniczając rozwiązania do skończonej objętości wokół założonej pozycji).

Wykonalność takiego systemu zależy od wielu ważnych czynników praktycznych, w dużej mierze zdeterminowanych przez długość fali promieniowania pulsarowego, które ma wykrywać system nawigacyjny. To określa obszar zbierania anteny, zużycie energii, wagę systemu nawigacyjnego i oczywiście jego koszt.

Becker i wsp. obliczyli, że dla fal 21-centymetrowych statek kosmiczny wymagałby anteny o powierzchni zbierania 150 metrów kwadratowych.

Ale lepszym pomysłem, jak mówią, jest wykorzystanie pulsarów, które emitują promieniowanie rentgenowskie, ponieważ technologia zbierania i skupiania promieni rentgenowskich znacznie się poprawiła w ostatnich latach.

Jedną z miar wydajności zwierciadeł rentgenowskich jest ich masa. Lustro zastosowane w Obserwatorium Rentgenowskim Chandra wystrzelonym w 1999 roku miało masę 18,5 tony na metr kwadratowy efektywnej powierzchni zbierania. Dla porównania, najnowocześniejsza optyka szklana z mikroporami, która jest obecnie produkowana, ma masę zaledwie 25 kilogramów przy tej samej powierzchni zbierania.

Tak więc optyka rentgenowska ma sens w nawigacji pulsarowej, mówią Becker i spółka. Używając sygnałów rentgenowskich z pulsarów milisekundowych oszacowaliśmy, że nawigacja byłaby możliwa z dokładnością do ±5 km w Układzie Słonecznym i dalej.

Taka dokładność może nie być konieczna w przypadku większości misji przewidzianych w krótkim okresie. Jednak Becker i jego koledzy z optymizmem patrzą na jego przyszły potencjał: już dziś jest jasne, że ta technika nawigacji znajdzie swoje zastosowanie w przyszłej astronautyce. Jak mówią, w nieskończoność i dalej…

Nr ref.: arxiv.org/abs/1305.4842 : Autonomiczna nawigacja statku kosmicznego z pulsarami

ukryć