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“慧眼”探路,“流浪地球”有了可靠导航

“贵岩”探索道路,“漫游地球”有可靠的导航

“贵岩”卫星脉冲星导航实验负责人告诉记者,木星的导航精度比深空探测网要好

人类没有导航就不能移动。这架飞机可以通过GPS和北斗等卫星导航。在飞出地球时,必须使用“深空探测网”。但随着人类对宇宙的探索越来越远,深空探测网络也将“前所未有”。

“脉冲星导航”也许是未来深空探测中人类最可靠的导航技术之一。

最近,中国科学院高能物理研究所的研究人员利用我国第一颗x射线天文卫星“贵岩”成功地进行了x射线脉冲星导航实验。定位精度在10公里以内(标准差的3倍),达到国际先进水平。<<> >

“灰眼”卫星脉冲星导航实验研究员、中科院高能物理研究所副研究员郑实近日接受南方日报记者采访,解读这一技术,将有助于人类“深入天空。”

精度有多高?

当我们离开地球进入太空时,GPS和北斗等卫星导航系统就不能再使用了。为此,美国花费巨资建立了“深空探测网”,在地球上等距架设了三个大型天线阵,利用它们接收来自遥远航天器的微弱信号进行通信和定位。探索宇宙做出了重要贡献。

据郑世界介绍,上述技术用于定位,误差会随着离地距离的增加而增大。每增加一天对地距离(约1.5亿公里),误差增加10公里。

“当到达木星的距离(距离地球4-6天)时,误差将达到数十公里;对于远离太阳系的1号和2号旅客来说,误差达到数千公里。”郑世界说,“这项技术的另一个问题是通信时间太长:我们与木星之间的单向通信时间至少为30分钟,与Travel One的单向通信时间为17小时!这意味着我们不能及时调整这些飞机的飞行轨道。“

使用脉冲星导航,您可以避免这些问题。郑世界介绍了“灰眼”实验观测的“宇宙灯塔” - 蟹状星云脉冲星距离我们6000光年,使用脉冲星获得的导航误差不会随着我们的位置而改变。 “所以即使有一天,如果我们真的离开太阳系的'徘徊的地球',我们就能准确地导航我们。”

此外,郑世界表示,脉冲星导航技术可以降低飞机对地球的依赖性,并可以利用人工智能技术对恒星做出许多独立的判断和操作。

郑世界介绍,“我们在'贵堰'卫星上的脉冲导航实验表明,它的定位误差在10公里以内,这比木星外的深空太空网更好,这意味着脉冲星导航可以应用于深空。“定位精度10 km(标准偏差3倍)是什么意思?标准差是判断科学分析可信度的常用方法。标准偏差为3次表示该值可信度为99.7%。

据报道,2019年5月,美国国家航空航天局(NASA)也表示有意将X射线脉冲星导航技术应用于“重返月球计划”和未来的火星探测计划。郑世界说:“未来,随着脉冲星导航精度达到1公里或更低,它将不可避免地在火星探测和小行星探测等场景中得到更广泛的应用。”

什么样的脉冲星适合航行?

到2018年底,澳大利亚天文台编制并发布了超过2,700个脉冲星,其中包括中国“天眼”望远镜发现的近100个脉冲星和100多个需要认证的脉冲星。

哪些脉冲星更适合导航?

根据郑世界的说法:“在已知的近3000个脉冲星中,我们选择了大约10个最适合导航的导航星。”

“包含条件”之一是在X射线带中具有强脉冲辐射。

根据郑世界的说法,脉冲星辐射的信号来自无线电,红外线,可见光,紫外线,X射线,伽马射线甚至更高的能带。其中,X射线带具有辐射能量强,易于使检测设备小型化的优点。因此,通过在X射线波段中使用脉冲星信号来实现导航是最可能的导航方法。

“这需要在X射线波段选择具有强辐射的脉冲星。”郑说,目前在X射线波段有超过200个带有辐射的脉冲星,但它们的脉冲光子通量变化很大。

根据郑世界的说法,在这个实验中选择的蟹状星云脉冲星是天空中最亮的“宇宙灯塔”之一。它诞生于公元1054年的超新星爆炸中。此爆炸记录在《宋史·天文志》中。它的脉冲光子流速约为0.1/cm2/s,这意味着当我们使用100cm2探测器时,我们每秒可以接收10个脉冲光子。大多数脉冲星只有脉冲光子通量的万分之一。对于同一探测器,我们需要等待1000秒才能接收到脉冲光子。

另一种“包含条件”要求脉冲星具有稳定的周期。郑世界说,虽然脉冲星的脉冲周期非常准确,但它正在逐步演变,因此我们需要准确预测它的演化行为。一般来说,“年轻”脉冲星通常是“可变的”,有时它们会有一点脾气,并且会有像地震一样的“星震”。星震后,脉冲星的周期会发生变化。使用此脉冲星进行导航将导致导航精度的较大偏差; “旧”脉冲星将“稳定”。

例如,他说,例如,最稳定的脉冲星PSR J0437-4715是已知的,年龄超过10亿。稳定性与地球上最好的原子钟相当。它也是一个非常好的导航脉冲星。另外,脉冲星的周期越短,通过观察获得的脉冲信号的精度越高。 “所以我们主要选择时间最短的脉冲星和毫秒级的脉冲信号周期作为我们的导航星。”

另一个因素是不同脉冲星辐射的脉冲形状(即脉冲轮廓)不同;导航脉冲星应选择具有脉冲轮廓的尖锐脉冲星,因此导航精度也会提高。

它投入实际使用距离有多远?

近年来,X射线脉冲星导航受到越来越多的关注。

2004年,欧空局发布了一份关于基于脉冲星时间信息的航天器导航可行性研究的技术报告。 2018年1月,NASA宣布国际空间站上的NICER/SEXTANT项目成功进行了第一次实时在轨脉冲星自主导航实验。

中国还对脉冲星导航进行了大量的理论和实验研究。 2016年9月发射的天宫二号空间实验室携带“天极”望远镜,伽马射线偏振探测器(POLAR),完成了首次国内空间实验的脉冲星导航。 2016年11月推出的脉冲星测试之星XPNAV-01也进行了脉冲星探测和相关研究。

“贵雁”进行的脉冲星导航实验进一步验证了高能提出的X射线脉冲星导航算法 - “脉冲轮廓显着性与卫星轨道的相关性分析”。该算法的可行性已经在POLAR实验上进行了测试。获得初步验证。

在“贵雁”实验中,研究人员对算法进行了进一步的改进,并将导航算法应用于“贵雁”卫星上三种望远镜的观测数据。结果表明,可以实现眼睛的自主定位;使用所有望远镜的5天观测数据,定位精度可达10公里(标准差的3倍),表明“灰眼”脉冲星导航实验的准确性与NICER/SEXTANT相当。

为了进一步检验导航算法的可行性和可靠性,研究团队还进行了全面的理论分析,并选择了各种类型的脉冲星进行仿真验证。结果表明,该方法也适用于其他导航脉冲星。该算法的实际应用奠定了基础。

实验结果发表在学术期刊《天体物理杂志》(提供)上,审稿人认为“Goggle Satellite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实际应用,有两个关键问题需要解决:

首先是X射线探测器的小型化和轻量化。郑世界表示,X射线探测器必须安装在空间探测器上才能实现导航服务。对于空间传感任务,每增加一公斤重量,火箭或卫星就需要增加大量的空间和能量。 “因此,小型化和轻型X射线探测器的发展是未来大规模应用脉冲星导航的关键。”

此外,从理论上讲,需要进一步研究和突破脉冲星理论。郑世界介绍,脉冲星提供的脉冲信号的精度决定了最终的定位误差。目前,所有脉冲星的时间信号中都存在一些噪声信号,包括短时间内的长期“红噪声”和“白噪声”,导致当前定位误差小于km的理论极限。 “只有当我们进一步研究脉冲星并了解这些噪声的物理机制时,我们才能准确预测这些信号,从而进一步减少定位误差,使脉冲星导航更加深入应用。”

科普

脉冲星导航可以在日常生活中使用吗?

根据郑世界的说法,脉冲星导航主要为在宇宙深处探索的航天器或探测器提供导航服务。在地球附近,特别是在近地轨道上,飞机或卫星可以使用GPS,北斗等导航装置定位,其精度明显高于脉冲星导航。但是,在某些特殊情况下,例如导航卫星或地面站发生故障或被破坏而无法提供导航服务,Pulsar导航可以作为在紧急情况下提供服务的重要备用方法。

另外,由于X射线不能穿透地球大气层,脉冲星的X射线脉冲信号不能在地面上接收,脉冲星不能直接用于导航和定位。

脉冲星将成为探索宇宙的“灯塔”

1967年,英国剑桥大学卡文迪什实验室(cavendish laboratory)的研究生约瑟芬贝尔(josephane bell)在探测射电望远镜信号时发现了一些奇怪而规则的脉冲。贝尔立即向她的导师安东尼海斯报告了这一发现。

他们发现的信号来自大约2200光年外的遥远恒星,他们的发现引起了人们的兴趣:如此精确的信号类似于外星人发送给我们的信息,所以这颗新发现的恒星被命名为“小绿人1号”。在不到半年的时间里,科学家们发现了一个又一个这样的脉冲,从而排除了外星人的可能性。

1968年2月,贝尔和休伊特在英国杂志0x9A8B上联合报道了一种新型天体脉冲星的发现。

脉冲星是一种中子星。它们是大质量恒星在生命后期“超新星爆炸”留下的致密物体。以均匀间隔辐射脉冲的中子星称为脉冲星。

脉冲星像飞轮一样高速旋转。在旋转的过程中,它们的磁场向外界辐射强烈的无线电波。对于观察者来说,它们就像周期性的脉冲。

脉冲星的一个特点是脉冲星信号的长期稳定性非常高,可以与地球上的原子钟相媲美,甚至优于可以作为宇宙时间基准的原子钟。因此,脉冲星在星际旅行中也被称为“宇宙灯塔”或“天然GPS卫星”。

正如地面使用卫星信号进行导航一样,航天器也可以通过观测脉冲星(即脉冲星导航)实现自主导航。原理可以理解如下:虽然脉冲星发射的两个相邻脉冲的时间间隔(或脉冲周期)是恒定的,但如果航天器向脉冲星移动,接收的脉冲间隔将缩短,否则,它将变得更长并且观察到的脉冲轮廓将相应地改变;脉冲到达X射线探测器的精确时间由探测器距脉冲星的距离决定,脉冲星是航天器在太空中的位置。因此,通过分析航天器接收的(不同方向)脉冲星信号的特性,可以颠倒航天器在空间中的三维位置和速度(或运动轨道)。

南方日报记者王石