星際旅行我來了！慧眼衛星新實驗：深空探測可用脈衝星導航

科技日報記者 李大慶

中科院高能物理所的科學家利用慧眼衛星上的X射線望遠鏡開展了X射線脈衝星導航實驗，定位精度達到10公里之內（3倍標準偏差），進一步驗證了航天器利用脈衝星自主導航的可行性，為未來在深空的實際應用奠定了基礎。相關論文於8月21日在美國《天體物理雜誌》（增刊）正式刊出。

「慧眼」衛星眺望宇宙

2017年6月15日，我國第一顆X射線天文衛星「慧眼」在酒泉衛星發射中心成功發射，運行於高度550 千米、傾角43°的近地圓軌道上。

慧眼衛星攜帶了高能X射線望遠鏡（HE，20-250 keV）、中能X射線望遠鏡（ME，5-30 keV）和低能X射線望遠鏡（LE，1-15 keV）三種科學載荷和空間環境監測器，在軌運行兩年多，已經得到了關於黑洞、中子星、伽馬射線暴乃至引力波暴等的海量觀測數據，科學結果正在源源不斷地產生之中。

與此同時，高能所的慧眼衛星研究團隊還利用該衛星成功開展了X射線脈衝星導航實驗，進一步驗證了脈衝星導航的可行性。

深空探測可利用脈衝星導航

現在，人類探索宇宙的腳步不斷加快，越來越多的空間探測器飛向太陽以及其七大行星、矮行星、小行星、彗星等太陽系內天體。

由於這些航天器遠離地球，美國的全球衛星導航系統（GPS）、我國的北斗衛星導航系統等都已經難以為它們提供可靠的導航服務。

為此，美、俄等國利用地面大型射電天線建立深空測控網，為遙遠的飛行器提供導航服務，但其提供的導航精度會隨著與地球距離的增加而變差，因此不依賴地面設備的航天器自主導航技術受到越來越多的關注。

來源：中國科學院高能物理研究所

慧眼衛星脈衝星導航實驗工作的負責人鄭世界副研究員說：「X射線脈衝星導航是一種新型的自主導航方法，它利用宇宙中遙遠的天體——脈衝星發出的精確的周期性脈衝信號為太空中的航天器提供導航和授時服務。」脈衝星是一類高速轉動的中子星，其脈衝信號的長期時間穩定度很高，堪比甚至優於地球上的原子鐘，可作為宇宙中的時間基準，

因此脈衝星也被稱作「宇宙燈塔」或星際旅行中「天然的導航衛星」。如同地面使用衛星信號進行導航一樣，航天器通過觀測脈衝星，也可以實現自主導航，即脈衝星導航。

「宇宙燈塔」指明航天路

脈衝星導航的基本原理是：雖然脈衝星發出的兩個相鄰脈衝的時間間隔（或稱為脈衝周期）是恆定的，但如果航天器朝向脈衝星運動，接收到的脈衝間隔會縮短，反之，則會變長，觀測得到的脈衝輪廓也隨之發生變化；脈衝到達X射線探測器的精確時間則由探測器相對於脈衝星的距離、也就是航天器在空間的位置所決定。因此，通過分析航天器接收到的（不同方向）脈衝星脈衝信號的特性，就可以反推得到航天器在空間的三維位置和速度（或運動軌道）。

脈衝星距離地球十分遙遠（幾百、幾千光年乃至更遠），不必擔心其受到人為影響，脈衝星導航的精度也不隨航天器所處位置而改變，可作為深空中的理想導航手段。因此，X射線脈衝星導航在近年來得到越來越多的關注。

慧眼衛星首席科學家張雙南說：「2017年8月31日至9月5日，慧眼衛星對著名的蟹狀星雲脈衝星進行了持續約5天的觀測，以試驗對衛星自主定位。自主定位的演算法是高能所研究團隊於2016年提出的一種新的X射線脈衝星導航演算法。該演算法的可行性已在天宮二號上的天極望遠鏡——伽瑪射線暴偏振探測器（POLAR）實驗上得到初步驗證。」

這一次，他們對該演算法做了進一步改進，並將該導航演算法分別應用到慧眼衛星上3種望遠鏡的觀測數據，結果顯示，均可實現慧眼的自主定位；如果綜合利用所有望遠鏡5天的觀測數據，其定位精度可以達到10公里（3倍標準偏差），相當於定位精度3.3公里（1倍標準偏差）。

為了進一步檢驗該導航演算法的可行性與可靠性，研究團隊還進行了充分的理論分析，並選取多種類型的脈衝星進行了模擬驗證，結果顯示該方法對其它導航脈衝星同樣適用，為該演算法的實際應用奠定了基礎。

來源：科技日報

編輯：岳靚

審核：管晶晶

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