“慧眼”卫星探路 “流浪地球”有了可靠导航

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2017年发射的我国首颗大型X射线天文卫星“慧眼”。受访者供图

  人类走向太空离不开导航。飞机可不才能用GPS、北斗等人造卫星导航,飞出地球就要用到“深空探测网”。但随着人类探索宇宙的脚步不到远,深空探测网也会“鞭长莫及”。

  “脉冲星导航”或许是人类在未来深空探测中最可靠的导航技术之一。

  最近,中国科学院高能物理研究所研究人员利用我国首颗X射线天文卫星“慧眼”,成功开展了X射线脉冲星导航实验,定位精度达到10公里之内(3倍标准偏差),达到国际先进水平。

  “慧眼”卫星脉冲星导航实验工作负责人、中国科学院高能物理研究所副研究员郑世界,日前接受南方日报记者的采访,解读本身将协助人类“走向深空”的技术。

  已达到的精度有多高?

  当朋友背叛地球进入宇宙空间,包括GPS、北斗等卫星导航系统都无法再使用。为此,美国耗巨资建立了“深空探测网”,在地球上相隔等间距建立了5个庞大的天线阵,利用它们来接受遥远的宇宙飞船发出的微弱信号实现通信及定位,为人类探索宇宙作出了重要贡献。

  郑世界介绍,采用上述技术进行定位,其误差会随着与地球距离的增大而增大,平均每增加另另5个 日地距离(约1.5亿公里),误差增大10公里。

  “到达木星距离时(与地球的为4—6个日地距离),其误差将达到数十公里;对于正在飞离太阳系的旅行者1号、2号来说,其误差达到了上千公里。”郑世界说,“本身技术的另外另另5个 大问题不需要 通信时间过长:朋友和木星之间的单向通信时间大约 要500分钟,而和旅行者一号的单向通信时间达到17小时!这也并且原困,朋友无法对哪些飞行器的飞行轨道作出及时的调整。”

  而利用脉冲星导航,可不才能避免哪些大问题。郑世界介绍,此次“慧眼”实验观测的“宇宙灯塔”——蟹状星云脉冲星距离朋友有50000光年,利用脉冲星得到的导航误差不需要随着朋友的位置变化而变化。“从前即使在有一天,朋友真的带着‘流浪地球’背叛太阳系,才能精确地给朋友导航。”

  此外,郑世界表示,脉冲星导航技术,可不才能减少飞行器对地球的依赖,利用星上的人工智能技术就可不才能作不需要 自主判断和操作。

  郑世界介绍,“朋友在‘慧眼’卫星上开展的脉冲星导航实验表明,其定位误差在10公里之内,对于木星以外的深空中,原困优于深空网,这原困脉冲星导航原困可不才能在深空中得到应用了。”定位精度10公里(3倍标准偏差)是哪些意思?标准偏差是在科学分析中本身常用的判断可信度的妙招,3倍标准偏差表示,本身值在99.7%的情形下是可信的。

  据悉,2019年5月美国国家航天局(NASA)也表示要将X射线脉冲星导航技术应用到“重返月球计划”及未来的火星探测计划中。郑世界表示,“将来,随着脉冲星导航精度达到怎么算油耗乃至以下,必然会在火星探测、小行星探测等场景下得到更广泛的应用。”

  哪些样的脉冲星适合导航?

  截至2018年底,澳大利亚天文台埋点并否认了超过2700颗脉冲星,其中还未包括中国“天眼”望远镜发现的近5000颗脉冲星以及待认证的5000多颗脉冲星。

  哪些脉冲星中,哪些比较适合导航呢?

  郑世界介绍:“在已知的接近5000颗脉冲星中,朋友取舍了10颗左右最适合用作导航的‘导航星’。”

  “入选条件”之一是要在X射线波段有较强的脉冲辐射。

  郑世界介绍,脉冲星辐射的信号所含了从射电、红外、可见光、紫外、X射线、伽马射线乃至更高能波段。其中X射线波段原困辐射的能量较强、探测设备易于小型化等优点,还能否 利用X射线波段的脉冲星信号实现导航,是最有原困的导航妙招。

  “这就需用取舍在X射线波段有较强的辐射的脉冲星。”郑世界表示,目前,在X射线波段有辐射的脉冲星约有500多颗,但它们的脉冲光子流量差别很大。

  郑世界介绍,本次实验中所取舍的蟹状星云脉冲星是星空中最亮的“宇宙灯塔”之一,诞生于公元1054年的一次超新星爆发,这次爆发在《宋史·天文志》所含记载。它的脉冲光子流量约0.另另5个 /cm2/s,并且要 说当朋友使用5000cm2的探测器时,每秒钟可不才能收到10个脉冲光子。而大多数脉冲星的脉冲光子流量不到它的万分之一,同样的探测器,朋友需用等待英文50000秒才能接收到另另5个 脉冲光子。

  从前“入选条件”需用脉冲星具有稳定的周期。郑世界表示,脉冲星的脉冲周期实在很精确,但也在逐渐演化,还能否 朋友要求能准确预报它的演化行为。一般说来“年轻”的脉冲星通常“多变”,有需用用闹点小脾气,会地处像地震一样“星震”,地处星震还能否 ,这颗脉冲星的周期地处了改变,原困恰好使用这颗脉冲星进行导航,就会造成导航精度经常出现很大的累积;“年老”的脉冲星就“沉稳”得多。

  他举例子说,同类已知最稳定的脉冲星PSR J0437-4715,年龄超过10亿,稳定度和地球上最好的原子钟相借喻,也是一颗非常好的导航脉冲星。另外,脉冲星的周期越短,通过观测得到的脉冲信号的精度越高。“还能否 朋友主要取舍周期最短的,脉冲信号周期在毫秒量级的脉冲星,作为朋友的导航星。”

  还另另5个 多因素是,不同脉冲星辐射出来的脉冲形态(即脉冲轮廓)各不相同;导航脉冲星更应取舍脉冲轮廓形态尖锐的脉冲星,从前导航精度也会提高。

  距投入实际应用还有多远?

  X射线脉冲星导航近年来得到不需要 的关注。

  5004年,欧空局发布了“基于脉冲星时间信息的航天器导航可行性研究”技术报告。2018年1月,美国NASA否认在国际空间站上搭载的NICER/SEXTANT项目成功进行了首次实时的在轨脉冲星自主导航实验。

  中国在脉冲星导航方面,此前也已进行几瓶理论和实验研究。2016年9月发射的天宫二号空间实验室,携所含“天极”望远镜——伽马暴偏振探测器(POLAR),完成了脉冲星导航的国内首次空间实验。2016年11月发射的脉冲星试验星XPNAV-01也开展了脉冲星探测及相关研究。

  此次“慧眼”进行的脉冲星导航实验,进一步验证了高能所提出的X射线脉冲星导航算法——“脉冲轮廓显著性与卫星轨道的关联分析”,该算法的可行性已在POLAR实验上得到初步验证。

  在“慧眼”实验中,研究人员对该算法做了进一步改进,并将该导航算法分别应用到“慧眼”卫星上3种望远镜的观测数据,结果显示,均可实现慧眼的自主定位;原困综合利用所有望远镜两天的观测数据,其定位精度可不才能达到10公里(3倍标准偏差),说明“慧眼”的脉冲星导航实验的精度和NICER/SEXTANT的结果相当。

  为了进一步检验该导航算法的可行性与可靠性,研究团队还进行了充分的理论分析,并取舍多种类型的脉冲星进行了模拟验证,结果显示该妙招对其它导航脉冲星同样适用,为该算法的实际应用奠定了基础。

  实验结果发表于学术刊物《天体物理杂志》(增刊),审稿人认为“慧眼卫星开展的在轨演示验证是对脉冲星导航发展的重要贡献”。

  郑世界认为,从目前的实验进展,到真正投入实际应用,还另另5个 多关键大问题需避免:

  首先是X射线探测器的小型化和轻量化。郑世界表示,X射线探测器需用要搭载在空间探测器上才能实现导航服务,而对于空间探测任务来说,每增加一样载荷,每增加一公斤重量,都需用火箭或卫星增加几瓶的空间和能源。“还能否 ,小型化和轻量化的X射线探测器研制,是未来脉冲星导航大规模应用的关键。”

  此外,从理论上,还需脉冲星理论的进一步研究和突破。郑世界介绍,脉冲星给朋友提供的脉冲信号的精确度,决定了最终实现的定位误差。目前,在所有脉冲星的时间信号中都地处还能否 噪声信号,包括长期的“红噪声”和短时间内的“白噪声”,原困目前的定位误差地处亚公里级的理论极限。“不到当朋友对脉冲星的研究进一步深入,了解了哪些噪声的物理机制,才才能准确预知哪些信号,从而进一步地降低定位误差,使得脉冲星导航得到更深入的应用。”

  科普

  脉冲星导航能用于日常生活吗?

  郑世界介绍,脉冲星导航主不需要 为在宇宙深空中探索的宇宙飞船或探测器提供导航服务的。在地球周围,有点硬是近地轨道上的飞行器或卫星可不才能使用GPS、北斗等导航手段进行定位,精度要显著高于脉冲星导航。但在还能否 特殊情形下,比如导航卫星或地面站经常出现故障,或被摧毁,无法提供导航服务时,脉冲星导航可不才能作为本身重要的备份手段,提供紧急情形下的服务。

  另外,原困X射线无法穿透地球大气层,还能否 在地面无法接收到脉冲星的X射线脉冲信号,也就无法直接利用脉冲星实现导航和定位。

  脉冲星将是探索宇宙的“灯塔”

  1967年,英国剑桥大学卡文迪许实验室研究生约瑟琳·贝尔在检测一台射电望远镜信号时发现了还能否 奇怪而有规律的脉冲信号,贝尔立即把本身发现报告给她的导师安东尼·休伊什。

  朋友发现的信号来自距朋友约2500光年的遥远星体,甫一发现就引起了朋友的兴趣:不到精确的信号极像外星人给朋友发的信息,还能否 本身新发现的星体被命名为“小绿人1号”。在接下来不到两天的时间里,科学家又陆陆续续发现了数个从前的脉冲信号,因而排除了外星人的原困。

  1968年2月,贝尔和休伊什联名在英国《自然》杂志上报告发现了新型天体——脉冲星。

  脉冲星是中子星的本身,是大质量恒星在寿命的晚期地处“超新星爆发”后留下的致密天体。以均匀的时间间隔辐射脉冲的中子星被称为脉冲星。

  脉冲星如同飞轮般高速旋转,在旋转过程中,其磁场形成强烈的电波向外界辐射,对观测者来说,就像周期性的脉冲信号。

  脉冲星的特点之一是,其脉冲信号的长期时间稳定度很高,堪比甚至优于地球上的原子钟,可作为宇宙中的时间基准,还能否 脉冲星也被称作“宇宙灯塔”或星际旅行中“天然植物的GPS卫星”。

  如同地面使用卫星信号进行导航一样,航天器通过观测脉冲星,也可不才能实现自主导航,即脉冲星导航。其原理可不才能从前理解:实在脉冲星发出的另另5个 相邻脉冲的时间间隔(或称为脉冲周期)是恒定的,还能否 原困航天器朝向脉冲星运动,接收到的脉冲间隔会缩短,反之,则会变长,观测得到的脉冲轮廓也随之地处变化;脉冲到达X射线探测器的精确时间则由探测器相对于脉冲星的距离,并且要 航天器在空间的位置所决定。还能否 ,通过分析航天器接收到的(不同方向)脉冲星脉冲信号的形态,就可不才能反推得到航天器在空间的三维位置和数率(或运动轨道)。(记者 王诗堃)