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¿Cómo se usa el GPS en los vuelos espaciales?

¿Cómo se usa el GPS en los vuelos espaciales?

Navega por las estrellas de neutrones

El GPS utiliza mediciones de tiempo precisas para realizar cálculos. Cada satélite GPS contiene un reloj atómico y su hora está sincronizada con la de un receptor. Un receptor puede calcular el alcance del satélite multiplicando el tiempo que tarda la señal del satélite en llegar al receptor por la velocidad de la señal, que es la velocidad de la luz. Si la señal de un satélite tarda 0,07 segundos en llegar al receptor, el alcance del satélite es de 13,020 millas (186,000 millas por segundo × 0,07 segundos).

Un cohete podría hacer cálculos similares si pudiera recibir señales de tiempo emitidas por algo en el espacio. Afortunadamente, el universo contiene más de unos pocos dispositivos de cronometraje muy precisos. Son conocidos como latir – estrellas de neutrones de rotación rápida que emiten pulsos regulares de radiación electromagnética. En algún momento de su vida, un púlsar vivió grande y caliente. Luego se quedó sin combustible nuclear y murió en una explosión masiva. El producto de esta explosión fue un objeto altamente magnetizado, que giraba rápidamente y cuyos polos emitían poderosos rayos de energía. Ahora, a medida que gira la estrella muerta, los rayos se mueven, como un faro en un faro. Un observador en la Tierra no puede ver la estrella en sí, pero puede ver pulsos de luz que atraviesan el espacio.

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Algunos púlsares parpadean cada pocos segundos; otros parpadean mucho más rápido. En cualquier caso, todavía pulsan con una frecuencia constante, lo que los hace útiles para mantener el tiempo. De hecho, como dispositivos de cronometraje, los púlsares compiten con los relojes atómicos por su precisión. En 1974, un científico del Laboratorio de Propulsión a Chorro, GS Downs, propuso por primera vez la idea de utilizar púlsares para ayudar a las naves espaciales a navegar por el cosmos. El concepto permaneció en el papel porque los científicos aún no sabían lo suficiente sobre estrellas enigmáticas y porque las únicas herramientas disponibles para detectar púlsares, los radiotelescopios, eran enormes.

Con los años, el campo ha progresado. Los astrónomos continuaron descubriendo púlsares y estudiando su comportamiento. En 1982, por ejemplo, los científicos descubrieron los púlsares del primer milisegundo, que tienen períodos de menos de 20 milisegundos. Y en 1983, descubrieron que algunos púlsares de milisegundos emiten potentes señales de rayos X. Todo este trabajo hizo posible llevar la navegación de púlsares del papel a la práctica.

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GPS galáctico

La interpretación de este artista muestra la carga útil de NICER / SEXTANT. La carga útil de 56 telescopios volará a la Estación Espacial Internacional.

Imagen cortesía de NASA

Aunque el GPS que usamos en la Tierra no es útil para viajes interplanetarios, sus principios se aplican a otros sistemas de navegación. De hecho, usar púlsares para orientarse en el sistema solar es en muchos aspectos similar al GPS terrestre:

  1. Primero, al igual que un receptor GPS triangula una posición utilizando datos de cuatro o más satélites, se necesita más de un púlsar para determinar la ubicación precisa de un objeto en el espacio. Afortunadamente, los astrónomos han descubierto más de 2.000 púlsares a lo largo de los años. [source: Deng]. Sin embargo, los mejores candidatos para la navegación son púlsares estables que parpadean en el orden de milisegundos y emiten potentes señales de rayos X. Incluso con estas limitaciones, quedan innumerables posibilidades. Algunos púlsares en estudio incluyen J0437−4715, J1824−2452A, J1939 + 2134 y J2124−3358 [source: Deng].
  2. Entonces necesitas algo para detectar signos de pulsación. Esto sería equivalente al receptor GPS, pero debe ser sensible a los rayos X. Muchos observadores tienen telescopios de rayos X, aunque son demasiado grandes para ser conectados a una nave espacial. La próxima generación de detectores, conocida como Receptores XNAV, será mucho más pequeño y se transportará fácilmente al espacio.
  3. Finalmente, necesita algoritmos para hacer todos los cálculos correctos. Equipos de científicos han estado trabajando en matemáticas durante varios años, utilizando un conjunto complejo de ecuaciones para explicar variables como irregularidades en la rotación de púlsar y los efectos de fenómenos externos (ondas gravitacionales o plasma) en la propagación de ondas. Aunque las matemáticas son difíciles, la idea básica es la misma que la del GPS terrestre: el receptor XNAV detecta señales de cuatro o más púlsares. Cada señal llevaría una marca de tiempo precisa, lo que permitiría que una computadora calcule los cambios a medida que una nave espacial se aleja de ciertos púlsares y se acerca a otros.

El último obstáculo, por supuesto, es probar la teoría para ver si se sostiene. Este será uno de los principales objetivos de la misión NICER / SEXTANT de la NASA. MÁS HERMOSA / SEXTANTE medio Explorador de composición interior de estrella de neutrones / Explorador de estación para sincronización de rayos X y tecnología de navegación, que describe un instrumento compuesto por 56 telescopios de rayos X agrupados en una matriz de tamaño mini-refrigerador [source: NASA]. Diseñado para volar a la Estación Espacial Internacional en 2017, el instrumento hará dos cosas: estudiar las estrellas de neutrones para aprender más y servir como prueba de concepto para la navegación de púlsares.

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Si la misión NICER / SEXTANT tiene éxito, estaremos un paso más cerca de la navegación interplanetaria autónoma. Y tal vez tengamos la tecnología para prevenir un desastre tipo Donner en el espacio. Perderse en el borde del sistema solar, a miles de millones de kilómetros de la Tierra, parece un poco más aterrador que salirse de los caminos trillados en el camino a California.

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Nuestra constelación de satélites GPS es excelente, pero limitada.

Nuestra constelación de satélites GPS es excelente, pero limitada.

Foto cortesía del Departamento de Defensa de los Estados Unidos.

LA FIESTA LLEGA A CALIFORNIA, PARA SOLICITAR TIEMPO JUSTO Y VIAJE SEGURO

Podría haber sido un título escrito en el otoño de 1846 si George y Jacob Donner tuvieran acceso al Sistema de Posicionamiento Global, una tecnología de navegación extremadamente precisa que se basa en señales de una red satelital que orbita alrededor de 12,500 millas (20,200 kilómetros). Superficie de la tierra. [source: GPS.gov]. Desafortunadamente para los hermanos Donner y su triste grupo de pioneros, el GPS requeriría otros 100 años de investigación y desarrollo, dejándolos encontrar el camino a California usando brújulas, mapas y malos consejos. Finalmente, su largo viaje se convirtió en una tortuosa pesadilla. Quedaron atrapados en la nieve en las montañas de Sierra Nevada, donde muchos de su grupo murieron antes de que los rescatistas pudieran alcanzarlos en la primavera.

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Los exploradores espaciales pueden enfrentar tragedias similares si no pueden encontrar un método confiable de orientación mientras viajan a planetas distantes y, tal vez, a estrellas distantes. El GPS parece ser el candidato lógico para tales empresas, pero el sistema solo funciona si su viaje se limita a destinos terrestres. Esto se debe a que los 24 satélites que componen la “constelación” del GPS transmiten sus señales a la Tierra. Si se encuentra debajo de los satélites y tiene un receptor que puede detectar señales, puede determinar su ubicación de manera segura. ¿Navegando por la superficie del planeta? Estas listo para ir. ¿Volando en órbita terrestre baja (LEO)? Estás cubierto. Aventúrate en LEO, sin embargo, y en tu receptor GPS La práctica pronto terminará en la constelación de satélites y, con eso, ya no podrás registrar una señal. En otras palabras: los satélites GPS transmiten solo hacia abajo, no hacia arriba.

Esto no significa que las misiones a destinos más allá de la Tierra deban volar a ciegas. Las técnicas de navegación actuales utilizan una red de estaciones de rastreo terrestres que buscan y dejan espacio. Cuando un cohete sale de nuestro planeta hacia Marte, Júpiter o más allá, las tripulaciones de tierra emiten ondas de radio desde las estaciones de monitoreo hasta la nave. Estas ondas rebotan en la nave y regresan a la Tierra, donde los instrumentos miden el el tiempo que tardan las ondas en viajar y el cambio de frecuencia provocado por el efecto Doppler. Con esta información, los equipos de tierra pueden calcular la posición del cohete en el espacio.

Ahora imagina que quieres viajar al borde del sistema solar. Cuando su nave llegue a Plutón, estará a 5.9 mil millones de kilómetros de la Tierra. Una señal de radio enviada por una estación de seguimiento tardaría 5,5 horas en llegar a usted, luego otras 5,5 horas en regresar (asumiendo que las ondas viajan a la velocidad de la luz), lo que dificulta la localización exacta de su ubicación. Si viaja aún más lejos, la precisión de los sistemas de seguimiento terrestres disminuye aún más. Obviamente, una mejor solución sería colocar un instrumento de navegación en la nave espacial para que pudiera calcular su posición de forma independiente. Esto y donde navegación por pulsos, una innovación del Goddard Space Flight Center de la NASA, entra en escena.

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