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“慧眼”探路,“流浪地球”有了可靠导航

发布日期:2019-09-11  来源:

  

  “慧眼”卫星脉冲星导航实验负责人告诉记者,木星外导航精度已优于深空探测网

  人类走向太空离不开导航。飞机可以用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越来越远,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,解读这一将协助人类“走向深空”的技术。

  已达到的精度有多高?

  当我们离开地球进入宇宙空间,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3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,平均每增加一个日地距离(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,“这种技术的另外一个问题就是通信时间过长:我们和木星之间的单向通信时间至少要30分钟,而和旅行者一号的单向通信时间达到17小时!这也就意味着,我们无法对这些飞行器的飞行轨道作出及时的调整。”

  而利用脉冲星导航,可以避免这些问题。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我们有6000光年,利用脉冲星得到的导航误差不会随着我们的位置变化而变化。“这样即使在有一天,我们真的带着‘流浪地球’离开太阳系,也能精确地给我们导航。”

  此外,郑世界表示,脉冲星导航技术,可以减少飞行器对地球的依赖,利用星上的人工智能技术就可以作很多自主判断和操作。

  郑世界介绍,“我们在‘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,已经优于深空网,这意味着脉冲星导航已经可以在深空中得到应用了。”定位精度10公里(3倍标准偏差)是什么意思?标准偏差是在科学分析中一种常用的判断可信度的方法,3倍标准偏差表示,这个值在99.7%的情况下是可信的。

  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1公里乃至以下,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。”

  什么样的脉冲星适合导航?

  截至2018年底,澳大利亚天文台整理并公布了超过2700颗脉冲星,其中还未包括中国“天眼”望远镜发现的近100颗脉冲星以及待认证的100多颗脉冲星。

  这些脉冲星中,哪些比较适合导航呢?

  郑世界介绍:“在已知的接近3000颗脉冲星中,我们选择了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,脉冲星辐射的信号涵盖了从射电、红外、可见光、紫外、X射线、伽马射线乃至更高能波段。其中X射线波段由于辐射的能量较强、探测设备易于小型化等优点,因此利用X射线波段的脉冲星信号实现导航,是最有可能的导航方式。

  “这就需要选取在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200多颗,但它们的脉冲光子流量差别很大。

  郑世界介绍,本次实验中所选取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》中有记载。它的脉冲光子流量约0.1个/cm2/s,也就是说当我们使用100cm2的探测器时,每秒钟可以收到10个脉冲光子。而大多数脉冲星的脉冲光子流量只有它的万分之一,同样的探测器,我们需要等待1000秒才能接收到一个脉冲光子。

  另一个“入选条件”需要脉冲星具有稳定的周期。郑世界表示,脉冲星的脉冲周期虽然很精确,但也在逐渐演化,因此我们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”,有时还会闹点小脾气,会发生像地震一样“星震”,发生星震之后,这颗脉冲星的周期发生了改变,如果恰好使用这颗脉冲星进行导航,就会造成导航精度出现很大的偏离;“年老”的脉冲星就“沉稳”得多。

  他举例子说,例如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比拟,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。“因此我们主要选择周期最短的,脉冲信号周期在毫秒量级的脉冲星,作为我们的导航星。”

  还有一个因素是,不同脉冲星辐射出来的脉冲形状(即脉冲轮廓)各不相同;导航脉冲星更应选择脉冲轮廓形状尖锐的脉冲星,这样导航精度也会提高。

  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NASA宣布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,此前也已进行大量理论和实验研究。2016年9月发射的天宫二号空间实验室,携带有“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;如果综合利用所有望远镜5天的观测数据,其定位精度可以达到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,并选取多种类型的脉冲星进行了模拟验证,结果显示该方法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,还有两个关键问题需解决:

  首先是X射线探测器的小型化和轻量化。郑世界表示,X射线探测器必须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,都需要火箭或卫星增加大量的空间和能源。“因此,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,脉冲星给我们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存在一些噪声信号,包括长期的“红噪声”和短时间内的“白噪声”,导致目前的定位误差存在亚公里级的理论极限。“只有当我们对脉冲星的研究进一步深入,了解了这些噪声的物理机制,才能够准确预知这些信号,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,脉冲星导航主要是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。在地球附近,特别是近地轨道上的飞行器或卫星可以使用GPS、北斗等导航手段进行定位,精度要显著高于脉冲星导航。但在一些特殊情况下,比如导航卫星或地面站出现故障,或被摧毁,无法提供导航服务时,脉冲星导航可以作为一种重要的备份手段,提供紧急状态下的服务。

  另外,由于X射线无法穿透地球大气层,因此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一些奇怪而有规律的脉冲信号,贝尔立即把这个发现报告给她的导师安东尼·休伊什。

  他们发现的信号来自距我们约2200光年的遥远星体,甫一发现就引起了人们的兴趣:如此精确的信号极像外星人给我们发的信息,因此这个新发现的星体被命名为“小绿人1号”。在接下来不到半年的时间里,科学家又陆陆续续发现了数个这样的脉冲信号,因而排除了外星人的可能。

  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。

  脉冲星是中子星的一种,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。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,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”。

  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,也可以实现自主导航,即脉冲星导航。其原理可以这样理解:虽然脉冲星发出的两个相邻脉冲的时间间隔(或称为脉冲周期)是恒定的,但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;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,也就是航天器在空间的位置所决定。因此,通过分析航天器接收到的(不同方向)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和速度(或运动轨道)。

  南方日报记者 王诗堃

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