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星际旅行的天然“GPS”
美国宇航局的“新视野号”探测器花了9年半的时间到达了冥王星。当它呼啸而过，飞到了太阳系中最远的地方时，却只有3周时间观察这颗矮行星。传回的图像简直惊人，它揭露了一个复杂的世界：漂浮的巨大冰山、平坦的平原和淡红色斑块，让人联想到火星。
但事实上，我们无法精确地绘制飞船进入冥王星轨道的过程，因为我们缺乏精确的导航系统。然而，今年美国宇航局将展示一种新形式的天体导航，精度远远优于10年前。这个系统不是依靠地球的时钟（我们现在使用的），而是依赖于宇宙中最可靠的钟表——快速旋转的恒星残骸，即脉冲星。
为何追求新型导航？
目前，在近地球轨道的宇宙飞船，包括国际空间站，都使用我们熟悉的全球定位系统（GPS），告诉我们它们在哪里。
GPS是一种在距离地面2万千米的高度上环绕地球的卫星网络。能同时接收3颗及3颗以上卫星的信号，GPS接收器根据接收到的信号就可以计算出每一个信号的距离是多远，我们就能推算出测量地点的三维坐标。不过，如果离地球太远的话，用GPS进行定位就有些困难了。比如，如果我们发射一艘宇宙飞船，飞向月球背面，那么就没办法使用全球定位系统了，因为月球背面的卫星离地球太远，发出的信号无法传播那么远的距离。
目前，美国宇航局使用的飞船跟踪系统是深空网络——位于美国加利福尼亚、西班牙和澳大利亚的巨大的射电天线系统。这些跟踪站能发送无线电信号到一个飞船探测器上，然后测量它需要多长时间才能反射回来。当两个跟踪站“看到”宇宙飞船时，你就可以确定它在天空中的角位置。迄今为止，深空网络已经帮助天文学家引导探测器接近了地球所有的行星邻居。
不过，麻烦的是，每个深空网络的跟踪站系统只覆盖了1/3的天空，所以大多数情况下，我们只能得到探测器与天线系统之间的直线距离。
除此之外，在任意时间，你通常也只能在一个跟踪站追踪探测器。而仅仅解释射电望远镜产生数据信息，清除信号通过大气层时引起的故障等工作，就足够让20名天文学家忙得不可开交了。
而且随着探测器越飞越远，深空网络的导航精度会快速下降。以冥王星为例，它距离地球大约75亿千米，深空网络的导航精度下降到200千米。而1977年美国发射的旅行者1号现在逐渐离开太阳系，离地球大约200亿千米，这个位置的导航精度下降为500千米。
随着宇宙探测器向太阳系外飞去，我们急需一种星系定位系统来为未来的星际航行做好准备。如今，人类还没有能力研制这样的定位系统，但科学家却发现了宇宙中“最明亮”的替代导航员——脉冲星。
新型天体导航
脉冲星是高度磁化的、快速旋转的恒星残骸，是恒星在生命演化末期发生超新星爆炸而成的。它们是令人难以置信的致密星体，例如1.4倍左右太阳质量的脉冲星，直径只有20千米左右。因此脉冲星的自转速度非常惊人，大多数脉冲星每一秒就能自转好几次，其中一类被称为“毫秒脉冲星”，每秒可以旋转700多次。
当它们旋转时，脉冲星将从两极发出电磁辐射的强烈光束，波长有好几种，包括无线电波和X射线。这些光束扫过太空，很像灯塔发出的光束。脉冲有着精确的规律性，周期稳定性特别好，而且很常见，因此，科学家提议将脉冲星作为标准时间，代替人们常用的原子时钟（利用原子或分子运动计量时间），甚至利用脉冲星，可捕捉由引力波经过所引起时空上微小的扰动。
科学家认为，脉冲星（特别是毫秒脉冲星）可以很完美地替代GPS卫星。太阳系周围分散着成千上万的脉冲星，可以说，它们为人们提供的参考点无处不在。
利用这些恒星残骸发射的脉冲的精确规律，不只帮助我们更亲密接触冥王星等矮行星类星球，也可在不依赖于和地球联系的情况下，帮助载人飞船到达火星。从长远来看，它甚至可以帮助我们的子孙后代在星际太空中设定航行路线。
脉冲导航如何实现？
那么，天文学家们梦寐以求的导航星，究竟是如何运作的呢？
脉冲星的两个磁极各有一个辐射波束，根据星体自转情况，周期性地向航天器上的探测设备发射脉冲信号。
如果飞船上有测定系统，测量一个已知脉冲星发射的单个脉冲的到达时间，并将其与一个固定的参考位置的预计到达时间相比，你就可以计算出宇宙飞船-脉冲星的距离和宇宙飞船-固定点的距离。结合至少三颗脉冲星的测量结果，就可以计算出一个精确的三维定位。从而为那些星际旅行的航天器指引方向。可以说，脉冲星犹如太空之海永不熄灭的灯塔，是天造地设的导航标识。
2013年，德国马克斯普朗克地外物理研究所的沃纳·贝克尔，计算出脉冲星导航可以精确到5千米，在深太空任务中，我们或许可以降到1千米，甚至更为精准。而这一切要归功于脉冲星脉冲的惊人规律性，使距离得到精确测量。太空中的宇宙飞船会被四面八方的脉冲星围绕着，很容易就能测量脉冲。
现在，我们知道的脉冲星越来越多，目前发现和编目位置的脉冲星已达到2000多颗，其中包括超过200个毫秒脉冲星，也就是说“天体参考地图”正在不断增加。特别是下一代的射电天文台，如在澳大利亚和南非的“平方千米远射望远镜阵列”——上千座电波天线组成的电波阵列，可能会将导航脉冲星的数目增加到2万至3万之间。
所以，未来通过明亮的脉冲星——这些恒星残骸将改变我们探索太空的方式。而人类将最终使用导航技术，走出太阳系，走向银河系。
本文源自大科技*科学之谜 016年第7期杂志文章、欢迎广大读者关注我们大科技的微信号：hdkj1997
在宇宙中如何找到参照物确定位置？
其实有一项最为重要的基础就是我们应该如何在遥远的太空实现精准的定位。目前飞离地球最远的飞行器是旅行者1号，它与地球基站的联络完全是一种单一的信号传递，也就是说类似旅行者1号这种传统探测器无法与其周围的人造飞船实现组网互通，它们谁也不清楚其他伙伴的位置，只是知道地球在哪而已。那么未来人类开展宇宙深空探索时，一定需要这种类似于GPS的星际定位系统，无论是编队飞行还是遭遇危险时进行救援，飞船彼此必须要时刻掌握对方的行踪，可是在此之前科学家一直在被这个问题所困扰，因为我们在宇宙中很难找到一个适合的参照物作为坐标匹配的基础。
不过随着现代天文观测技术的更新，尤其是哈勃望远镜与地面高功率射电望远镜的服役，我们发现了一种可以实现这个梦想的最佳目标，它就是：脉冲星。脉冲星是一种极端的中子星，它与传统中子星所不同的是会持续稳定的发射超强电磁脉冲信号，如果我们能够稳定接收一些关键区域的脉冲星电磁信号源。
那么就可以实现为该区域飞行的宇宙飞船进行星际导航服务。所以脉冲星的发现也被称作人类20世纪的最伟大发现之一，其作用的意义在于人类未来太空计划的可行性被大大提升，而在我国的FAST天眼服役后，会帮助人类寻找到更多更加适合利用的脉冲星目标。
脉冲星导航相比于传统GPS导航最明显的优势就是误差度，我们都知道在近地轨道飞行的GPS卫星每颗都携带有原子钟，虽然理论上原子钟的误差率极低，但是地球地面基站中的工作人员还是要定期的修正，不然就算百万级的误差率也会导致地面导航差出去10公里。
GPS系统和北斗星系统各有什么优缺点
GPS是美国开发的全球卫星定位系统，由28颗卫星组成，其中24颗担负提供全球卫星定位信号，4颗做备份星。最初是用于军事领域，定位精度在2米左右。后来为了谋取经济利益，对民用开放了定位精度在10米左右的信号。GPS民用卫星定位信号目前对全球免费开放。 “北斗星系统”是中国自主开发的卫星定位系统。但该系统目前只发射了6颗卫星，只能提供国内及周边国家的定位导航，还不能实现全球定位导航。并且目前还没有对民用开放。
北斗卫星定位系统与GPS定位系统的区别
1、覆盖范围：北斗定位系统是覆盖中国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。GPS是覆盖全球的全天候定位系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。
2、卫星数量和轨道特性：北斗定位系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60°。GPS是在6个轨道平面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55°，轨道面赤道角距60°。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。
3、定位原理：北斗定位系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS定位系统是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。
4、定位精度：北斗定位系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-100m提高到12m，授时精度日前约20ns。
5、用户容量：北斗定位系统由于是主动双向测距的询问--应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗定位系统的用户设备容量是有限的。GPS 是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS定位的用户设备容量是无限的。
6、生存能力：和所有定位卫星系统一样，“北斗”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗” 系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。
7、实时性：“北斗”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。
目前世界上全球定位系统有哪些？
美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯“格洛纳斯”系统、欧洲“伽利略”系统及中国“北斗”。
截止到2020年，美国投入使用的GPS组网卫星达到了24颗，另有4颗是备用卫星，所以美国的定位系统卫星总数达到了28颗。这些卫星都是中地卫星，分布在20200千米高的平面上，它们以组网的模式在地球上空展开，保证了地标可视范围内的“全覆盖”。根据美国官方的数据显示，这些卫星目前的精确度在10米左右，美国方面正在进行技术改良，希望能够在不久的将来精确到1米。
而凭借着前苏联“美苏争锋”时期的发展成果，俄罗斯也依靠着雄厚的底气在全球导航系统争霸中占有一席之位。1993年，俄罗斯凭借着苏联解体之后留下的尖端航天技术，大胆地提出了“格洛纳斯”卫星导航系统的架设蓝图，后来在投入约30多亿美元的情况下，仅仅不到三年时间，就完成了“格洛纳斯”导航系统的组网工作。可以说，俄罗斯的效率是相当高，但技术含量上，和美国的GPS以及中国的北斗系列还是存在着一定差距的。
除了俄罗斯和美国外，西方还有一个卫星导航系统叫“伽利略”。“伽利略”不属于单个国家，而是属于众多的欧洲国家。由于欧洲各国技术、经济、政治相对分散，没有国家有能力独立架设一个卫星导航系统，于是包括法国、德国在内的欧洲大国就提出了联合研发“伽利略”卫星导航系统的设想，但后期同样由于各国的利益均分不妥，导致了项目出现了众多的搁置问题。
扩展资料：
虽然是两个国家各自建立的不同的导航系统，但俄罗斯的导航系统和美国的GPS还是有很多的相似点，比如在运行卫星数量上，俄罗斯也是24个，其整体的工作和精度等等都类似于GPS。不过，有一个很大的不同之处是，俄罗斯的导航卫星是分布在3个轨道平面上的。而且，俄罗斯的导航卫星寿命很短、技术不稳定，因此俄罗斯的备用卫星也比较多，所以即便在系统建成之后，俄罗斯也没能动摇美国GPS的权威地位。
直到中国北斗导航系统的出现，美国GPS定位系统的全球垄断地位才开始被动摇。中国“北斗”导航系统和美国GPS有很大的不同，依靠着“后发先至”的时代优势，中国的科学家和决策者采用了最新的技术和空间理念，让北斗卫星导航系统在很多技术问题上一举超越了GPS。我国的北斗导航的卫星系统整体还在完善中，到2020年，将有35颗导航卫星同时工作，届时不管是精度还是核心质量上，都将整体超越美国的GPS，从而改写美国在这一领域长达数十年的垄断历史。
参考资料：人民网-全球四大卫星导航系统比较
名词解释gps
GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。
北京时间2019年4月7日，GPS迎来20年一次的“周数重置事件”，意即该系统的“计时器”已达到最大值、需要“清零”重置。专家提醒，使用老旧GPS设备、或未能及时更新软件的用户可能会在当天遭遇系统异常，比如时间或地点定位会报错。
GPS的功能
精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中 工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量
勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到
导航：
武器导航：精确制导导弹、巡航导弹
车辆导航：车辆调度、监控系统
船舶导航：远洋导航、港口/内河引水
飞机导航：航线导航、进场着陆控制
星际导航：卫星轨道定位
个人导航：个人旅游及野外探险
定位：
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