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【中國科學報】星際旅行不迷航

2019-08-23 中國科學報 倪思潔
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語音播報

  宇宙那么大,你想去看看?最近,“慧眼”衛星帶來了一條好消息:宇宙導航的精度可以更高,別擔心找不到回家的路。

  8月21日,美國《天體物理雜志(增刊)》發表了一篇來自“慧眼”衛星的科研成果。中國科學院高能物理研究所(以下簡稱中科院高能物理所)的科學家利用“慧眼”衛星開展了X射線脈沖星導航實驗,定位精度達到10公里之內(3倍標準偏差),進一步驗證了航天器利用脈沖星自主導航的可行性,為未來在深空的實際應用奠定了基礎,相關技術可應用于深空探測和星際旅行。

  宇宙里的“燈塔”

  人類探索宇宙的腳步不斷加快,越來越多的空間探測器飛向太陽系中的各類天體。可是,由于這些航天器遠離地球,現有的衛星導航系統難以為它們提供可靠的導航服務。盡管美國、俄羅斯等國曾嘗試利用地面大型射電天線建立“深空測控網”,為遙遠的飛行器提供導航服務,但導航精度會隨著與地球距離的增加而變差。

  星際旅行怎么才能不迷航?科學家將目光聚焦到不依賴地面設備的航天器“自主導航”技術上。X射線脈沖星導航技術就是其中的一種。

  “慧眼”衛星脈沖星導航實驗工作負責人、中科院高能物理所副研究員鄭世界介紹,X射線脈沖星導航是利用宇宙中遙遠的天體——脈沖星發出的精確周期性脈沖信號,為太空中的航天器提供導航和授時服務。

  脈沖星是一類高速轉動的中子星,是大質量恒星在壽命的晚期發生“超新星爆發”后留下的致密天體。其脈沖信號具有長期的高穩定度,堪比甚至優于地球上的原子鐘,可作為宇宙中的時間基準。因此,脈沖星也被稱作“宇宙燈塔”或星際旅行中“天然的GPS衛星”。

  脈沖星發出的兩個相鄰脈沖的時間間隔是恒定的。如果航天器朝向脈沖星運動,接收到的脈沖間隔會縮短,反之則會變長,觀測得到的脈沖輪廓也隨之發生變化。因此,通過分析航天器接收到的不同方向的脈沖星脈沖信號的特性,就可以反推得到航天器在空間的三維位置、速度或運動軌道。

  地球人的嘗試

  近年來,X射線脈沖星導航受到越來越多的關注。

  2004年,歐空局發布了“基于脈沖星時間信息的航天器導航可行性研究”技術報告。2018年1月,美國國家航天局(NASA)在國際空間站上首次進行了實時在軌脈沖星自主導航實驗,在觀測脈沖星7.5小時后,使自主導航的精度達到5千米(1倍標準偏差),并明確表示要將X射線脈沖星導航技術應用到“重返月球計劃”及未來的火星探測計劃中。

  我國在脈沖星導航方面也進行了大量的理論和實驗研究。鄭世界表示,2016年9月,中國天宮二號空間實驗室發射升空,我國科學家利用天宮二號上的“天極望遠鏡”——伽馬射線暴偏振探測器(POLAR),在國內首次成功完成了脈沖星導航的空間實驗。同年11月,我國還發射了脈沖星實驗星XPNAV-01,開始開展脈沖星探測及相關研究。

  2017年6月15日,我國第一顆X射線天文衛星“慧眼”在酒泉衛星發射中心成功發射。“慧眼”衛星攜帶了高能、中能、低能的三種X射線望遠鏡載荷和空間環境監測器。研究團隊利用該衛星成功開展了X射線脈沖星導航實驗,進一步驗證了脈沖星導航的可行性。

  “慧眼”上的實驗

  從2017年8月31日至9月5日,“慧眼”衛星曾對著名的蟹狀星云脈沖星進行了持續約5天的觀測,實現了對衛星的自主定位。

  “慧眼”衛星首席科學家張雙南介紹,這套自主定位的算法是中科院高能物理所的研究團隊于2016年提出的一種新的X射線脈沖星導航算法——“脈沖輪廓顯著性與衛星軌道的關聯分析”。該算法的可行性已在POLAR實驗上得到初步驗證。在對該導航算法進一步改進之后,科研人員用該算法分析了“慧眼”衛星上3種望遠鏡的觀測數據,結果顯示,3種望遠鏡數據均可實現“慧眼”衛星的自主定位;如果綜合利用這3臺望遠鏡5天的觀測數據,導航的定位精度可以達到10公里(3倍標準偏差),相當于定位精度3.3公里(1倍標準偏差),與美國國家航空局的實驗精度相當。

  為了進一步檢驗該導航算法的可行性與可靠性,研究團隊還進行了充分的理論分析,并選取多種類型的脈沖星進行模擬驗證,結果顯示該方法對其他導航脈沖星同樣適用。這一結果為該算法的實際應用奠定了基礎。

  2018年9月,科研人員將“慧眼”衛星上的脈沖星導航實驗成果投稿到美國《天體物理雜志(增刊)》,并于2019年6月11日被正式接收。

  審稿人認為,“‘慧眼’衛星開展的在軌演示驗證是對脈沖星導航發展的重要貢獻”“文章最后的模擬分析部分特地從數學上驗證了該方法的可行性……相信這是對脈沖星導航的非常好的貢獻”。

  相關論文信息:https://doi.org/10.3847/1538-4365/ab3718

  (原載于《中國科學報》 2019-08-23 第1版 要聞)

打印 責任編輯:侯茜

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