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星际旅行我来了!慧眼卫星新实验:深空探测可用脉冲星导航

谦太祥和 发布于: 2019年8月24日 9时43分11秒 阅读220次

  科技日报记者 李大庆

  中科院高能物理所的科学家利用慧眼卫星上的X射线望远镜开展了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。相关论文于 8 月 21 日在美国《天体物理杂志》(增刊)正式刊出。

  “慧眼”卫星眺望宇宙

  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,运行于高度 550 千米、倾角 43°的近地圆轨道上。

  慧眼卫星携带了高能X射线望远镜(HE,20-250 keV)、中能X射线望远镜(ME,5-30 keV)和低能X射线望远镜(LE,1-15 keV)三种科学载荷和空间环境监测器,在轨运行两年多,已经得到了关于黑洞、中子星、伽马射线暴乃至引力波暴等的海量观测数据,科学结果正在源源不断地产生之中。

  与此同时,高能所的慧眼卫星研究团队还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。

  深空探测可利用脉冲星导航

  现在,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以及其七大行星、矮行星、小行星、彗星等太阳系内天体。

  由于这些航天器远离地球,美国的全球卫星导航系统(GPS)、我国的北斗卫星导航系统等都已经难以为它们提供可靠的导航服务。

  为此,美、俄等国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,但其提供的导航精度会随着与地球距离的增加而变差,因此不依赖地面设备的航天器自主导航技术受到越来越多的关注。


来源:中国科学院高能物理研究所

  慧眼卫星脉冲星导航实验工作的负责人郑世界副研究员说:“X射线脉冲星导航是一种新型的自主导航方法,它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,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“天然的导航卫星”。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。

  “宇宙灯塔”指明航天路

  脉冲星导航的基本原理是: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)。

  脉冲星距离地球十分遥远(几百、几千光年乃至更远),不必担心其受到人为影响,脉冲星导航的精度也不随航天器所处位置而改变,可作为深空中的理想导航手段。因此,X射线脉冲星导航在近年来得到越来越多的关注。

  慧眼卫星首席科学家张双南说:“2017 年 8 月 31 日至 9 月 5 日,慧眼卫星对著名的蟹状星云脉冲星进行了持续约 5 天的观测,以试验对卫星自主定位。自主定位的算法是高能所研究团队于 2016 年提出的一种新的X射线脉冲星导航算法。该算法的可行性已在天宫二号上的天极望远镜——伽玛射线暴偏振探测器(POLAR)实验上得到初步验证。”

  这一次,他们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),相当于定位精度 3.3 公里(1 倍标准偏差)。

  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。

  来源:科技日报
  编辑:岳靓
  审核:管晶晶

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