脉冲星导航——地球流浪途中的指路灯
发布时间:2019-02-21
出品:科普中国
制作:陈威屹(中国科学院空天信息研究院)
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  流浪地球中,吴京驾驶的飞船是咋导航的?影片没有介绍,感觉空间站就是一路尾随地球在跑,太空中飞船的穿越导航问题是重中之重,流浪的地球也要有方向,要不然“流浪地球”就成了“星际迷航”。导航对于生活在地球上的我们是无处不在的。下载到手机里的一个地图APP就能实现导航,其实各种手机里的“地图”导航其实质就是利用人造地球卫星的手段实现对地导航定位,地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星,接收机测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,构建四个方程,解方程组就得到接收机位置。 

 

卫星定位原理图(自制) 

  谁来为航天器导航? 

      但是航天器在太空中又该如何导航呢?脉冲星! 


脉冲星灯塔模型(来源:https://wx.abbao.cn/a/3607-f1e14318bff23304.html 

    

  1.深空探测网 

     空间飞行器,如嫦娥四号月球探测器,主要依赖建立地面的深空探测网,如美国国家射电天文台用阵列操作中心遥控10架射电望远镜组成阵列,这个阵列是全世界最大的天文超长基线干涉测量仪器,名叫:超长基线阵列(VLBA)。据国外媒体报道,美国科学家就是利用该手段精确确定土星方位,精度在4公里以内。就是通过观测,人类对土星轨道有了更多的了解,为深空航天器在太空中飞行提供更理想的导航服务。 


嫦娥四号探月任务示意图(来源:http://hqck.net/arc/jwjs/zgjs/2017/0607/237419.html 


美国超长基线阵列示意图(来源:https://lt.cjdby.net/thread-2007335-1-1.html 

  而在影片流浪地球的最后,地球一直持续流浪,空间站要一路尾随,如何实现导航?如果地球飞出了太阳系,飞出了银河系怎么办?又如何在星际穿越间导航?“脉冲星”提供了可能! 

  2.脉冲星导航 

  航天飞行器需要导航,现实中飞行器的运行轨道其实都是预先计算好的,既然是流浪,就不可能事先计算好轨道,而且进入太空之后,实际运行受很多复杂因素的影响,可能会偏离事先设计的状态,需要实时进行调整。而进行调整的前提,就是通过导航系统,确定飞行器真实的位置、运动方向和速度等参数。脉冲星辐射的X射线信号恰恰能够为航天器提供自主导航信息,就能成为宇宙中航行的灯塔。 


流浪地球空间站(来源 

  http://k.sina.com.cn/article_1808670265_6bce1e3902700gjh9.html 

  X射线脉冲星是在X射线频段上辐射信号的脉冲星,X射线属于高能光子,集中了脉冲星绝大部分能量,可以作为天然信标。航天器自主确定轨道、时间以及姿态参数,并引导航天器沿着设计的轨道飞向目标轨道或目标天体的过程叫做X射线脉冲星导航(XPNAV)。脉冲星导航实际上是针对航天器的自主导航,能够为宇宙飞行的航天器以及无稠密大气的行星表面巡游提供导航服务,而不能直接为地面用户提供服务,所以,脉冲星是为宇宙航行服务的。 

  3.脉冲星导航服务与深空探测 

  国外积极开展深空探测任务,如美国的旅行者号已到达太阳系边缘,日本隼鸟号采样了小行星的实物样本,俄罗斯的探测器已经探测过月球、金星和火星,欧洲发射了10余个探测器最远探测到土星和彗星、甚至印度都发射了火星探测器。反观我国,在深空探测领域尚处起步阶段。我国自2003年开始了嫦娥计划,开始了我国深空探测的尝试,仅仅实现了月球探测,严重落后于美国、俄罗斯、欧洲及亚洲邻国。目前我国深空导航主要依赖传统的统一S波段测控(USB)系统和中科院甚长基线干涉测量(very long baseline interferometerVLBI)深空探测系统。由于受我国地域环境限制,VLBI站的部署无法做到全球布站。随着我国深空探测的脚步加快,深空飞行的距离越来越远,对深空探测器的导航精度提出了更高的要求。 

  脉冲星导航是国际公认的深空导航的有效手段之一,其优点是导航精度不随深空飞行距离的增加而下降。及时规划脉冲星观测和开展脉冲星导航技术实验,可以支撑我国后续深空探测和空间技术实验的实施,进而为我国深空探测技术的发展提供基础支撑。 

  脉冲星导航的原理 

  脉冲星距离地球有上千光年的距离,广泛地分布在银河系的各个方向。飞船离某颗脉冲星越近,接收到它的脉冲信号的时间就会越提前。相反地,飞船离某颗脉冲星越远,脉冲信号的到达时间就会被推迟,据此人们可以计算出飞船相对于脉冲星的位置。与此同时,当飞船向着某颗脉冲星飞行时,由于多普勒效应,波在波源移向观察者时接收频率变高,而在波源远离观察者时接收频率变低,飞船观测到的脉冲星发出脉冲的间隔将由于多普勒效应而减小;当飞船背离某颗脉冲星飞行时,飞船观测到的这颗脉冲星发出的脉冲间隔就会增加。 

脉冲星对飞行器的定轨示意(来源:http://www.cannews.com.cn/2016/1205/161334.shtml 

  与卫星导航类似,以同一个脉冲信号到达太阳系质心的时间与到达航天器的时间差为观测量,构造X射线脉冲星导航测量方程;该方程有4个未知数,包括3个位置坐标分量和1个时钟偏差量;通过同时探测4颗脉冲星,或每个弧段观测1颗脉冲星并结合航天器轨道动力学模型,求解4个未知数,实现航天器自主导航,以此实现飞船自身的定位和导航。 

脉冲星导航示意图(来源:http://www.newhua.com/2012/0330/153000.shtml 

  脉冲星导航的未来       

  脉冲星导航在我国得到了科学验证,中科院高能物理所专家利用天宫二号上的伽玛射线暴偏振探测器(POLAR)对蟹状星云脉冲星1个月的探测数据,完成了我国首次脉冲星导航空间实验,实现了对天宫二号的定轨,从而验证了脉冲星导航的可行性。 

  20161110日,我国发射了脉冲星导航实验卫星(XPNAV-1),开展X射线脉冲星在轨观测,验证X射线脉冲星导航相关技术。 

  2017615日,我国发射了硬X射线调制望远镜(HXMT)卫星,正在深入研究Crab等脉冲星的计时特征,进一步理解脉冲星导航的基础科学问题和关键技术问题,探索如何进一步提高脉冲星导航精度,以期最终获得具有实用价值的脉冲星导航技术 

(图片来源:新华网) 

    也许,我们的地球不一定会去流浪,但是脉冲星可能是未来人类追寻宇宙奥秘的一座灯塔,为人类的太空探索之路“导航“!​​​ 

    

  参考文献: 

  帅平丨《脉冲星 宇宙航行的灯塔》 

  郑伟 王奕迪 汤建国 刘利丨《X射线脉冲星导航理论与应用》 

  天宫二号取得伽马暴最佳偏振观测结果 人民网 

  我国11月将发射全球首颗脉冲星导航试验卫星 人民网 

  脉冲星导航,这事儿靠谱吗?中科院物理所官微 

  本文得到了中科院空天信息研究院高级工程师 邓平科的指导 

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