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兵在掌上阅 亮剑弹指间

飞行在茫茫太空中的航天器是如何“认路”的?未来人类的星际之旅又将怎样开启?让我们一起揭开脉冲星导航的神秘面纱——

探寻星光闪耀的“太空灯塔”


■钟海荣 张乃千 张家皓

未来,脉冲星导航将在深空探测、星际飞行和空间科学研究领域发挥重要作用,是人类遨游太空的“引路人”。

新闻提示

11月10日,由我国自主研制的脉冲星导航试验卫星成功发射升空。该卫星主要用于验证脉冲星探测器性能和空间环境适应性,负责与太空中星光闪耀的“灯塔”互通“书信”,将为脉冲星探测奠定技术基础。

脉冲星是宇宙中一种高速自转的中子星,它所释放的周期稳定的电磁辐射如同茫茫宇宙星海中灯塔上的探照灯,以多颗脉冲星为坐标基准就可为航天器提供自主空间导航。脉冲星导航就是以脉冲星发射的X射线为天然信标,引导航天器在宇宙空间进行自主航行的导航方式。一旦脉冲星导航得到应用,将解决现有地面导航方式精度不足问题,更好地服务于未来星际航行和深空探测,具有重要的战略研究价值。

“天文时钟”指引太空旅行

现有的导航方式是利用飞船向地球发回无线电信号,根据信号到达地面时间推算出飞船的具体运动位置。但随着人类向深空探索的脚步大幅度迈进,未来数量“井喷”的太空飞行器对导航精度提出了更高要求,航天器的精确导航已经成为所有空间任务的重中之重。作为地面导航方式的升级版,飞行器自主导航可大大减少测控站数量和系统整体耗费值,是未来深空探测的重点发展方向。

在宇宙天体中,有许许多多像太阳一样的恒星,这些恒星也有寿命,也会“生老病死”。所谓脉冲星,就是恒星消亡变成的中子星当中,时刻进行高速自转并发出脉冲信号的一员。被誉为最稳定“天文时钟”的脉冲星,可以辅助飞船在导航过程中摆脱对地面依赖,直接利用宇宙星体实现自主导航。

脉冲星是宇宙星体中不知疲倦的“陀螺”,不仅自转速度快而且周期稳。与目前广泛应用的原子钟相比,脉冲星发射的信号周期稳定性还要高出1万倍以上,具有相当稳定的脉冲周期。由于表面具备较强磁场的脉冲星一直不停地自转,两极发射的电磁辐射如同灯塔上的探照灯一般不停扫过地球,使相应的探测器可接收到频率稳定的周期性脉冲信号,从而为太空飞行器的空间自主导航提供了重要载体。

脉冲星导航的实现包括设备、定时、定位和导航4个关键环节。其中,探测器的较大质量是制约脉冲星导航实现的瓶颈。经过不断改进,目前用于探测和接收脉冲星信号的太空仪器重量已经降低为25千克,具备了太空实用化的条件。

“群星闪耀”支撑空间自主导航

中国古人曾利用北斗星来辨识方向,而脉冲星可以作为人类探索宇宙的“北斗星”,为近地轨道、深空和星际飞行的航天器提供自主导航服务。

人类与脉冲星的“不解之缘”起始于1967年,英国剑桥大学Hewish教授及其学生发现了第一颗射电脉冲星。1971年,美国首次探测到脉冲星辐射的X射线信号。之后,美国于1981年提出了利用脉冲星发射的X射线信号进行地球卫星导航的构想。

但人类真正开展航天器自主导航理论研究也只有20余年的时间。1999年,搭载X射线探测器的美国空军“先进研究与全球观测卫星”发射升空并开展试验,到2004年,针对脉冲星电磁信号进行导航的可行性论证才首次完成。

目前,世界各国开展了广泛的脉冲星导航研究工作。2004年,美国国防部高级研究计划局正式开展“X射线自主导航定位验证”计划,该计划旨在构建可用于太阳系范围内太空飞行导航的脉冲星网络,以满足未来航天任务长时间、高精度和自主导航的应用需求。为克服全球卫星导航系统的脆弱性,进一步降低航空飞行成本,欧盟也开始了由荷兰航空航天实验室牵头的“脉冲星飞机”项目。此外,俄罗斯、德国、英国、印度、日本和澳大利亚也纷纷开展了X射线脉冲星导航技术研究与试验工作。

“太空灯塔”照亮飞天梦想

脉冲星导航是实现航天器长时间高精度自主导航的可行途径,具有传统导航技术无法比拟的绝对优势。它可同时为航天器提供位置、速度、姿态和时间等导航信息,实现了传统导航技术的“集大成”。

目前,人类已经发现的脉冲星数量多达2500颗,其中有140多颗脉冲星具备良好的X射线周期辐射特性,是未来脉冲星导航家族的“备选明星”。未来,利用脉冲星发射的X射线也可以用于现有卫星导航系统定轨、定时等精度的提高。

事实上,现有的脉冲星导航实际应用仍面临一系列技术问题。作为脉冲星导航系统的“千里眼”,X射线探测器通过测量光子到达时间以实现X射线光子数的精确测量,需要兼顾时间精度、分辨能力、探测区域和系统质量等诸多方面,是脉冲星导航系统亟待突破的重要方向。此外,大尺度时空基准的建立与维持、脉冲到达时间转换模型的构建、星载时钟的时间保持度和自主导航算法容错处理等都是需要重点研究的方向。

一旦依靠脉冲星的自主导航发展成熟,将可大幅度减少地面导航测量设备数量和系统耗费程度,进一步提高航天飞行经济性、安全性和稳定性。人类飞向深空,终究不是梦。

图片合成:侯 融

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