IT之家 5 月 20 日消息，在月球一些最冷、最幽暗的隕石坑內(nèi)布設(shè)超穩(wěn)定激光器，有望助力科學(xué)家在月球搭建一套類全球定位系統(tǒng)（GPS）的導(dǎo)航系統(tǒng)，讓未來宇航員與航天器更便捷地完成月球地表航行。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院的研究人員提出，月球南極附近的永久陰影坑，能為超高精度激光系統(tǒng)提供絕佳的天然運(yùn)行環(huán)境。該研究院發(fā)布聲明稱，這類激光器未來可搭建起授時核心體系，讓宇航員、月球車及各類航天器在月球開展活動時，不必過度依賴地面測控追蹤系統(tǒng)完成定位導(dǎo)航。

隨著美國國家航空航天局籌備阿耳忒彌斯長期登月任務(wù)、規(guī)劃未來月球基地，月球全球定位系統(tǒng)相關(guān)構(gòu)想愈發(fā)受到重視。多年來，各國科研人員與航天機(jī)構(gòu)一直在研發(fā)月球本土定位、導(dǎo)航與授時方案，已提出的設(shè)想包括部署月球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星、架設(shè)無線電信標(biāo)，以及復(fù)刻地球全球定位系統(tǒng)技術(shù)原理的原子時鐘設(shè)備。

這項全新研究在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上提出了新穎思路：將超穩(wěn)定激光器安置于月球永久陰影坑內(nèi)。高穩(wěn)定性激光器可輸出頻率近乎恒定的光束，借助多組激光器能精準(zhǔn)測算天體與設(shè)備間的距離，最終為全月面導(dǎo)航系統(tǒng)筑牢技術(shù)根基。

由于月球自轉(zhuǎn)軸傾角極小，永久陰影坑永遠(yuǎn)無法被陽光直射。常年籠罩在黑暗中的這類隕石坑，溫度甚至低于冥王星，最低氣溫可達(dá)零下 223 攝氏度。長久以來，科學(xué)界都認(rèn)定此處蘊(yùn)藏著大量固態(tài)水冰，可作為未來月球定居點(diǎn)的重要資源儲備。

如今科研人員發(fā)現(xiàn)，這種極端嚴(yán)苛的環(huán)境，也能讓隕石坑成為高精度激光系統(tǒng)的天然理想實(shí)驗場。該研究提議采用硅光學(xué)諧振腔裝置，依靠間距精度極高的鏡面來回反射光束，實(shí)現(xiàn)激光光束的頻率穩(wěn)定。

在地球上，這類設(shè)備必須搭配復(fù)雜的低溫制冷裝置與隔震設(shè)施，因為哪怕極其微小的溫度波動，都會造成激光頻率失穩(wěn)。但在月球永久陰影坑中，天然環(huán)境可直接滿足大部分穩(wěn)定運(yùn)行條件。

研究院聲明指出，隕石坑內(nèi)的極寒低溫，搭配月球天然高真空環(huán)境以及遠(yuǎn)低于地球的震動幅度，能讓硅光學(xué)諧振腔幾乎不受熱脹冷縮影響，穩(wěn)定輸出精準(zhǔn)激光頻率，以此搭建導(dǎo)航系統(tǒng)，完成月球地表航天器定位與軌跡追蹤工作。

該研究第一作者葉軍（Jun Ye，音譯）在聲明中表示：“當(dāng)我摸清永久陰影區(qū)的環(huán)境優(yōu)勢后，便認(rèn)定這里是搭建超穩(wěn)定激光器的最優(yōu)場所?！?/p>

目前地球全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星會持續(xù)播發(fā)星載原子時鐘生成的授時信號，定位設(shè)備通過測算多顆衛(wèi)星信號的傳輸時長，即可完成位置解算。

現(xiàn)階段環(huán)月航天器依舊高度依賴地面測控系統(tǒng)定位，但隨著月球探測活動日益頻繁，這種方式將逐漸難以適用。尤其是地形崎嶇的月球南極區(qū)域，復(fù)雜的光照環(huán)境更是極大增加了宇航員與探測機(jī)器人的導(dǎo)航難度。

對此研究團(tuán)隊提出方案：部署在永久陰影坑內(nèi)的超穩(wěn)定激光器，可作為未來月球衛(wèi)星與通信網(wǎng)絡(luò)的核心授時基準(zhǔn)，成為月球版全球定位系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。

將光學(xué)諧振腔安置在月球永久陰影坑內(nèi)部或周邊后，便可鎖定周邊激光器光束，使其固定在單一超高精準(zhǔn)頻率上。官方表示，由此生成的信號既能充當(dāng)月球航天器的定位信標(biāo)，還可與星載原子時鐘聯(lián)動，助力打造地外天體首套光學(xué)原子時鐘核心架構(gòu)。

IT之家注意到，該研究成果已于 5 月 8 日正式發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上。

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