作者:倪思洁 来源:科学网 发布时间:2019/8/22 16:55:55
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“慧眼”卫星新成果:宇宙导航可以更准

 

宇宙那么大,你想去看看?最近,“慧眼”卫星带来了一条好消息:宇宙导航的精度可以更高,别担心找不到回家的路。

8月21日,美国《天体物理杂志》(增刊)发表了一篇来自“慧眼”卫星的科研成果。中国科学院高能物理研究所(以下简称中科院高能物理所)的科学家利用“慧眼”卫星开展了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),进一步验证了航天器利用脉冲星自主导航的可行性,为未来在深空的实际应用奠定了基础,相关技术可应用于深空探测和星际旅行。

宇宙里的“灯塔”

人类探索宇宙的脚步不断加快,越来越多的空间探测器飞向太阳系中的各类天体。可是,由于这些航天器远离地球,现有的卫星导航系统难以为它们提供可靠的导航服务。尽管美国、俄罗斯等国曾尝试利用地面大型射电天线建立“深空测控网”,为遥远的飞行器提供导航服务,但导航精度会随着与地球距离的增加而变差。

星际旅行怎么才能不迷航?科学家将目光聚焦到不依赖地面设备的航天器“自主导航”技术上。X射线脉冲星导航技术就是其中的一种。

“慧眼”卫星脉冲星导航实验工作负责人、中科院高能物理所副研究员郑世界介绍,X射线脉冲星导航是利用宇宙中遥远的天体——脉冲星发出的精确的周期性脉冲信号,为太空中的航天器提供导航和授时服务。

脉冲星是一类高速转动的中子星,是大质量恒星在寿命的晚期发生“超新星爆发”后留下的致密天体,其脉冲信号具有长期的高稳定度,堪比甚至优于地球上的原子钟,可作为宇宙中的时间基准,因此脉冲星也被称作“宇宙灯塔”或星际旅行中“天然的GPS卫星”。

脉冲星发出的两个相邻脉冲的时间间隔是恒定的,如果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发生变化。因此,通过分析航天器接收到的不同方向的脉冲星脉冲信号的特性,就可以反推得到航天器在空间的三维位置、速度或运动轨道。

地球人的尝试

近年来,X射线脉冲星导航受到越来越多的关注。

2004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,美国国家航天局(NASA)在国际空间站上首次进行了实时在轨脉冲星自主导航实验,在观测脉冲星7.5小时后,使自主导航的精度达到5千米(1倍标准偏差),并明确表示要将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。

我国在脉冲星导航方面也进行了大量的理论和实验研究。郑世界表示,2016年9月,中国天宫二号空间实验室发射升空,我国科学家利用天宫二号上的“天极望远镜”——伽玛射线暴偏振探测器(POLAR),在国内首次成功完成了脉冲星导航的空间实验,同年11月,我国还发射了脉冲星实验星XPNAV-01,开始开展脉冲星探测及相关研究。

2017年6月15日,我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”在酒泉卫星发射中心成功发射。“慧眼”卫星携带了高能、中能、低能的三种X射线望远镜载荷和空间环境监测器,研究团队利用该卫星成功开展了X射线脉冲星导航实验,进一步验证了脉冲星导航的可行性。

“慧眼”上的实验

从2017年8月31日至9月5日,“慧眼”卫星曾对著名的蟹状星云脉冲星进行了持续约5天的观测,实现了对卫星的自主定位。

“慧眼”卫星首席科学家张双南介绍,这套自主定位的算法是中科院高能物理所的研究团队于2016年提出的一种新的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。在对该导航算法进一步改进之后,科研人员用该算法分析了“慧眼”卫星上3种望远镜的观测数据,结果显示,3种望远镜数据均可实现“慧眼”卫星的自主定位;如果综合利用这3台望远镜5天的观测数据,导航的定位精度可以达到10公里(3倍标准偏差),相当于定位精度3.3公里(1倍标准偏差),与美国国家航空局的实验精度相当。

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,并选取多种类型的脉冲星进行模拟验证,结果显示该方法对其他导航脉冲星同样适用。这一结果为该算法的实际应用奠定了基础。

2018年9月,科研人员将“慧眼”卫星上的脉冲星导航实验成果投稿到美国《天体物理杂志》(增刊),并于2019年6月11日被正式接受。

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”,“文章最后的模拟分析部分特地从数学上验证了该方法的可行性……相信这是对脉冲星导航的非常好的贡献”。

论文相关信息:

https://doi.org/10.3847/1538-4365/ab3718

 
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