211service.com
En interplanetär GPS som använder pulsarsignaler
Att navigera i rymden är en knepig affär. Den vanliga metoden förlitar sig på jordbaserade spårningsstationer för att räkna ut ett rymdskepps avstånd med hjälp av radiovågor, en process som är exakt inom en meter eller så.
Det är bra för det radiella avståndet, men att spåra en rymdfarkosts vinkelposition är mycket svårare på grund av den begränsade vinkelupplösningen hos radioantenner. Den nuvarande tekniken ger en osäkerhet på cirka fyra kilometer per astronomisk enhet av avstånd mellan jorden och rymdfarkosten.
Så för en rymdfarkost på avståndet från Pluto är det en osäkerhet på 200 kilometer och på avståndet till Voyager 1 är osäkerheten 500 kilometer.
Så ett sätt för rymdfarkoster att exakt bestämma sin egen position skulle helt klart vara användbart.
Idag har Werner Becker vid Max-Planck-institutet för utomjordisk fysik i Tyskland och ett par kompisar arbetat fram de praktiska detaljerna för ett autonomt navigeringssystem för rymdfarkoster med hjälp av pulsarsignaler. De säger att teknik som utvecklas nu skulle tillåta rymdfarkoster att räkna ut sin position till inom fem kilometer var som helst i solsystemet.
Idén att använda pulsarer för att navigera i rymden går tillbaka flera decennier. Men Becker och co säger att tidigare analyser har försvårats av en begränsad kunskap om pulsarer och den relativt skrymmande teknik som har varit tillgänglig för att upptäcka dem. Båda dessa saker har förändrats dramatiskt de senaste åren.
För det första växer antalet kända pulser avsevärt. Astronomer är medvetna om långt över 2 000 pulsarer och nästa generations radioobservatorier förväntas avslöja tiotusentals fler.
Grundidén bakom detta interplanetära navigationssystem är att använda signalerna från dessa pulsarer på i huvudsak samma sätt som vi använder GPS-satelliter för att navigera på jorden. Genom att mäta ankomsttiden för pulser från minst tre olika pulsarer och jämföra denna med deras beräknade ankomsttid, är det möjligt att räkna ut en position i tredimensionellt rymden.
(Eftersom pulsarer producerar en ström av identiska pulser är det möjligt att generera hur många tvetydiga lösningar som helst när man gör detta. Men Becker och co påpekar att dessa kan elimineras genom att begränsa lösningarna till en ändlig volym runt den antagna positionen.)
Genomförbarheten av ett sådant system beror på ett antal viktiga praktiska faktorer, som till stor del bestäms av våglängden på den pulsarstrålning som navigationssystemet är designat att detektera. Detta bestämmer antennuppsamlingsområdet, strömförbrukningen, vikten på navigationssystemet och naturligtvis dess kostnad.
Becker och co beräknar att för 21-centimeters vågor skulle rymdfarkosten kräva en antenn med en uppsamlingsyta på 150 kvadratmeter.
Men en bättre idé, menar de, är att använda pulsarer som avger röntgenstrålar eftersom tekniken för att samla in och fokusera röntgenstrålar har förbättrats dramatiskt de senaste åren.
Ett mått på röntgenspeglars prestanda är deras massa. Spegeln som användes på Chandra X-ray Observatory som lanserades 1999 hade en massa på 18,5 ton per kvadratmeter effektiv uppsamlingsyta. Som jämförelse kan nämnas att den toppmoderna glasmikroporoptiken som tillverkas idag har en massa på endast 25 kg för samma uppsamlingsområde.
Så röntgenoptik är bra för pulsarnavigering, säger Becker och co. Med hjälp av röntgensignalerna från millisekunderspulsarer uppskattade vi att navigering skulle vara möjlig med en noggrannhet på ±5 km i solsystemet och längre fram, säger de.
Det kanske inte är nödvändigt att ha denna precision för de flesta uppdrag som planeras på kort sikt. Becker och kompisar är dock optimistiska om dess framtida potential: Det är klart redan idag att denna navigeringsteknik kommer att finna sina tillämpningar i framtida astronautik. Som de säger, till oändligheten och bortom ...
Ref: arxiv.org/abs/1305.4842 : Autonoma rymdskeppsnavigering med pulsarer