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宇宙飞船怎么在没有磁极的太空中确定方向,《星际迷航》中的导航系统有道理吗?

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宇宙飞船怎么在没有磁极的太空中确定方向,《星际迷航》中的导航系统有道理吗?

解答专家 克里斯托弗·波茨(Christopher Potts)

美国加利福尼亚州帕萨迪纳美国国家航空航天局喷气推进实验室导航工程师

没有一个始终存在着的磁场(例如人们在地球上使用罗盘时所依靠的地磁场)可供利用时,导航工程师就必须利用一种自己设计的三维笛卡尔坐标系或者坐标框架,来为宇宙飞船导航。

目前在深空(外层空间或宇宙空间)探测中普遍使用的一种坐标框架,被称为历元J2000地球平赤道及平春分点坐标系(EME2000)。它的名字之所以这么长,是因为确定一个三维坐标系统要用到许多必需的元素:一个参照物(地球)、一个参照面(平赤道,不考虑章动,也就是地轴的轻微晃动的理想化赤道)、一个参照方向(春分线,春分那天从地球到太阳的连线)以及一个参照时间(J2000,2000年1月1日天文历表时间12:00:00,用于计算行星运动的一个统一时标)。参照体和参照面用于确定坐标框架的x-y平面。z轴则与x-y平面垂直,通常与参照体的旋转轴相同。之所以需要一个参照时间,是因为参照面会在太阳系中其他天体万有引力的影响下发生轻微的晃动。

要使用这个定义好的坐标框架,宇宙飞船必须能确定和控制自己的方向。宇宙飞船传感器不使用罗盘,而是利用太阳和恒星来确定飞船相对于该坐标框架的方位。虽然相对于定义好的坐标框架,用来描述确定的方向的方法有若干种,但是一般我们只用一种方法,即用两个角度测量值来描述。在天文学上,通常用赤经和赤纬来确定宇宙空间中的方向。赤经是该方向在参照面上的角度值,赤纬则为该方向相对于参照面上下夹角的数值。

虽然具体方式可能不尽相同,但要确定宇宙飞行方向,仍要依靠这些基本原理来确定参照框架,并用各种测量值来确定相对于该框架的方位。就影片《星际迷航》(Star Trek)中的导航系统(诸如“航向294,目标37”之类)而言,我怀疑这种方法是否真能用于现在的深空导航。但是通过确定两个测量值,已经足够为《星际迷航》中的翘曲飞行正确导航了。

◎译者:詹浩

画家笔下的“旅行者号”探测器:两个一模一样的“旅行者号”探测器于1977年发射升空。

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