星际迷航飞船详解（现实版星际迷航指南手册）
星际迷航飞船详解（现实版星际迷航指南手册）而几乎所有的智能手机上，都配备着导航系统，以GPS导航系统为例，通过在地球20000公里高空轨道运行的卫星系统，无论你在世界的哪个位置，都会接收到至少4个卫星的信号，这些卫星不断的传输它们的位置和当前时间信号，根据这些信号，你的手机就能计算出你在地球上的当前位置。手机导航示意图朋友，在踏足太阳系深空之前，我们现在的深空导航技术，真的靠谱吗？在告别地球开始星际旅行前，我们再回望一眼脚下的地球，在这个时代，迷路或许不是一件容易做到的事情了。人不喝水能活三天，不吃饭，大约能撑过2个星期，但只要智能手机没电了，很多同学活不过1小时。
在几个世纪科学诞生以前，冒险家身上充满了神秘色彩，探寻未知之地，是探险家们的宿命，也是他们的独门秘笈。
探险家们在指南针普及之前，仅仅靠低头利用水流、风向、抬头观测鸟类的运动，甚至还可以用日月星辰的位置为依据，就能够穿越一望无际的海洋，到达遥远的国度。
人类探险的脚步
人类一直是好奇的种族，不管哪个时代，探寻未知的冲动都烙印在灵魂的深处。所以，刚刚往太阳系外轨道发射了一辆特斯拉超跑的马斯克同学，又动了火星移民的心思，特朗普也表示很感兴趣，号称美国将在2030年前，载人登陆火星。
朋友，在踏足太阳系深空之前，我们现在的深空导航技术，真的靠谱吗？
在地球上消灭路痴在告别地球开始星际旅行前，我们再回望一眼脚下的地球，在这个时代，迷路或许不是一件容易做到的事情了。
人不喝水能活三天，不吃饭，大约能撑过2个星期，但只要智能手机没电了，很多同学活不过1小时。
手机导航示意图
而几乎所有的智能手机上，都配备着导航系统，以GPS导航系统为例，通过在地球20000公里高空轨道运行的卫星系统，无论你在世界的哪个位置，都会接收到至少4个卫星的信号，这些卫星不断的传输它们的位置和当前时间信号，根据这些信号，你的手机就能计算出你在地球上的当前位置。
所以，在地球上，只要你手机能够收到GPS导航系统卫星的信号，理论上，同学们的字典里面讲没有迷路这个词汇。
这个方法不仅适用于地面，还适用于轨道低于GPS卫星的近地轨道航天器。通过地面监控，了解航天器的位置和速度。进而可以对这些航天器进行控制。
GPS导航系统
这几乎已经把路痴这个人类亚种，推到了灭绝的边缘。当然马航的意外失踪不可避免，你直接关机了，神仙也表示无能为力的。
通往月球之路地球逛腻了，星辰大海的第一步，当然是征服月球。如果离开了GPS卫星的覆盖范围，事情就会变得更加复杂。
这个挑战人类也交出了令人满意的答卷。
登月飞船
在阿波罗登月任务中，美国NASA为此专门开发了一个阿波罗导航计算机。该任务的绝大部分导航，都是由地球上的任务控制中心完成的，它不断的跟踪阿波罗宇宙飞船的位置和轨道。
简单的说，美国人把无线电遥控玩具的思路，贯彻到登月飞船上了。只是和同学们在淘宝上买的遥控无人机不同，这玩具贵了点，前后花了2000亿美元左右，而且是一次性用品，双十一也不打折。
当然，美国人也不敢托大，另外给宇航员配备了空间六分仪作为保险装置。空间六分仪通过简单的几何知识应用，比较恒星和地球以及月球的位置，就能够计算出宇宙飞船的轨迹和机动角度。一旦地球上的遥控出现疏漏，飞船上的宇航员能及时发现并修正。
美国登月
空间六分仪，和几个世纪前，航行在大海上的水手们使用的六分仪，其实并并无二致，也许当时飞往月球路上的阿姆斯特朗，在飞船上操作空间六分仪时，脑海中会闪过哥伦布船长的身影吧。
如何正确的穿越太阳系这是我的一小步，却是人类的一大步！阿姆斯特朗终于在电视机前，向全世界的人类，说出了远在38万km外，传播距离最远传播范围最广的这句话。
月球之后，火星之旅开启，接着才是深空探索的正式篇章。和仅仅奔向月球不同，为了正确的穿越太阳系，同学们不仅需要知道航天器的位置，更需要有准确的太阳系地图，知道你将会去到哪里。这个问题可不能靠遥控或者手动操作空间六分仪解决啦。
深空导航系统
美国NASA给出的第一种解决方案是——深空网络导航。
这是一组遍布世界各地的巨型无线电天线，它的三个主要设施位于西班牙的马德里，美国加利福利亚的戈德斯通，以及澳大利亚的堪培拉。通过深空网络，NASA可以和太阳系中的任何探测器进行通信。
深空网络的操作原理美国挑选了三个通讯点，以约120度的间隔围绕着地球建立。随着地球的旋转，航天器将从一个天线的视野，转移到另一个天线的视野，除了向航天器发送指令，接受数据之外，深空网络还将帮助它们导航。
射电阵列
当信号往返于航天器和天线时，它们会经历频移，然后，计算机可以根据频率的变化和信号传输的时间，计算出航天器的速度和距离，通过其位置与天空中的恒星的静态地图进行比较，我们就能知道它在哪里，它的速度有多快。
传输信号的次数越多，计算也就越准确。然后，我们可以将这些测量值，和已知的所有天体的轨道图进行比较，这样我们就能以惊人的精确度来了解航天器的位置。
深空探测
深空网络导航技术，是目前应用最广泛的深空导航技术，绝大部分NASA的地外登陆和多次精确的引力助推，都是它成功的保证。
量子力学与时间人类的前进看似无法阻挡，但事实果然如此吗？深空网络导航的精确，关键是拥有精确的时钟，说到底，就是人类到底有多了解时间。
对，还是我，爱因斯坦
感谢爱因斯坦打开了量子力学的大门，量子力学让科学家对于粒子世界的规律有了巨大的突破，人类有了直面原子世界的真相和宇宙时空的奥秘的手段。
NIST的美国物理学家哈罗德•莱昂斯 (Harold Lyons)于1949年利用氨分子的振动制造出了第一架原子钟。简单的说，由1个氮原子和3个氢原子组成一个很像三菱锥的氨分子。这些原子振动速度极快，1秒钟内发生240亿次。可以大大提高秒的精确度。
原子钟
铯原子钟的制造成功，成功的将人类时间度量精度提高到了10^-14量级。
深空原子钟只有面包机大小，使用汞离子微波，能达到低至0.3纳秒的精度，配备给航天器，就能确保它们即使和地球失去联系，也能始终准确的知道自己在何时、何地。
脉冲星图的逆袭除了力求高精度的原子钟，还有没有其他手段？答案是——脉冲星。
脉冲星是恒星演化末期留下的快速旋转的中子星，这些脉冲星可以每秒旋转次数达到数百次，发出强大的无线电波。脉冲星的无线电信号，可以替代原子钟的角色，用于高精度定时信号。
脉冲星示意图
类似于GPS导航的工作方式，星载计算机通过这些脉冲信号，理论上，任何航天器都可以知道其在太阳系内的准确位置，无论你是在木星轨道还是在遥远的柯伊伯带，无需NASA深空网络的精确更新，始终都能知道它们的确切位置。
唯一的额外条件就是，我们需要在星系图和定时系统中绘制出更多的脉冲星。
而目前这项工作正在积极的开展，同学们只需要下载你想要访问的银河系区域的脉冲星地图，航天器就能在整个银河系中找到自己的路线，自住导航到目标恒星。
星际飞船示意图
一切顺利的话，同学们现在只欠一艘太空船了。
真的就高枕无忧了？人类的深空导航技术，看来在引入了太阳系外的帮手——脉冲星后，可以满足我们前往太阳系以外的需求了，但事实果真如此简单吗？
好吧，我们回顾一下现在的技术基础，全部是建立在对时间的精确测量以及比对的基础之上，这时候问题来了，如果同学们对物理主单位有一定了解的话，会发现一个事实，时间的主单位——秒——仍然没有通过基本物理规律或常数来定义。
时间的真相仍未知
也就是说，秒，它仅仅是通过客观世界中某个事物的周期性运动来定义。时间仍然停留在具体物质层面，而这必然存在重大的隐患。
根据狭义相对论，同时性是相对的；根据广义相对论，时间的流逝受到引力场的影响，时间节奏本身就充满了不确定。
从广义相对论出发，我们甚至不能确定，铯原子钟震荡的每个周期的时间都是等长，同样脉冲星的脉冲间隔时间又如何保真？这种依赖周期性运动而定义的时间，真的就精确无误吗？
从相对论出发，时间和空间，本身就是一种未知，人类离最终的认知，还有很长的路在等待前进。
结语事实上，人类应该庆幸，第一个选择登陆的是月球，而不是火星。虽然我们的探测器已经进入了柯伊伯带，但是导航理论的本质，时间的真相，我们仍存很大的未知。
未来？
对于仍困在光速中的人类技术，在星际航行面前，仍旧只是一个只懂得玩火柴的孩子。
努力吧，少年！我们的目标，是星辰大海。
我是猫先生，感谢阅读。
