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脉冲星试验卫星Q&A

2017-04-19

太空探索 2017年1期
关键词:脉冲星X射线航天器

脉冲星试验卫星Q&A

探测器载荷三维图

Q:什么是脉冲星?

A:宇宙是由星罗棋布的以恒星为核心的小星系组成的。恒星是构成星系的基本单元,是宇宙中最主要的天体。目前,在银河系中已发现的恒星多达3000亿颗左右。恒星并不是永恒的,有诞生也有死亡,死亡后的恒星会变成白矮星、中子星或黑洞,然后继续演化,最终又形成了新的恒星。

那么什么是脉冲星呢?所谓脉冲星就是高速自转的中子星。脉冲星是一种具有超高温、超高压、超高密度、超强磁场、超强电场和超强引力场等极端物理条件的天体,其典型半径约为10千米,质量却在1.44倍至3.2倍太阳质量之间,每立方厘米的脉冲星质量可以达到1亿吨,是除黑洞外密度最大的天体,要用1000艘百万吨级的巨轮才能拖动它;脉冲星的引力非常强大,强大到光只有成为抛物线才能够挣脱。

Q:为什么说脉冲星是自然界最精准的天文时钟?

A:脉冲星有个奇异的特性,就是由于它的快速自转产生周期十分稳定的脉冲信号。所谓脉冲就是像人的脉搏一样,一下一下出现短促的电磁波电信号;脉冲星的自转周期范围一般为1.4毫秒~8.5秒,具有极其稳定的周期,尤其是毫秒脉冲星的自转周期变化率达到10-19~10-21。这是一个什么概念呢?简单说就是两个脉冲信号点之间的周期差值,只有在小数点后面第19位才会出现变化。而目前国际时间基准是原子时系统,最好的氢原子钟的稳定度只能达到10-15水平,比脉冲星时钟的稳定度还要低4个量级,这就好像把原来的时间尺子刻度加密到1/10000,刻度更细密了,因而也就更准了。因此,脉冲星被誉为自然界最精准的天文时钟。

Q:X射线脉冲星又是什么?

A:1967年,英国剑桥大学T.Hewish教授及其学生J. Bell博士发现了第一颗射电脉冲星。1971年,美国X射线天文卫星Uhuru 首次探测到脉冲星辐射的X射线信号。科学家通常把在射电频段上辐射信号的脉冲星叫做射电脉冲星,把在X射线频段上辐射信号的脉冲星叫做X射线脉冲星。

Q:为什么要用X射线脉冲星导航?

A:研究发现,脉冲星的自转轴与磁极轴之间有一个夹角,两个磁极各有一个辐射波束,当星体自转且磁极波束扫过安装地面或航天器上的探测设备时,探测设备就能接收到一个脉冲信号。根据这个发现,科学研究认为,可以利用脉冲星这个自然界中最精准的天文时钟为航天器导航。经过探测,在目前已发现和编目的2000多颗脉冲星中,约有160多颗具有良好的X射线周期辐射特性,可以作为导航候选星。所谓脉冲星导航就是利用脉冲星发射的X射线信号作为天然信标,为航天器导航。

不过,我们居住的地球,被大气层包裹着,X射线难于穿透地球稠密的大气层,因此,脉冲星所发射的X射线信号,只能在地球大气层外空间才能观测到,所以,脉冲星导航系统不能直接对地面进行导航,只能对近地轨道卫星、深空探测及星际飞行器进行导航。

当然,并不是所有的脉冲星都能用于导航。早在1974年的时候,美国航宇局(NASA)喷气推进实验室的科学家就提出用脉冲星实现航天器自主导航的概念,但发现这一方法理论上可行,实践中存在明显的缺陷,其中最大的问题是,脉冲星在射电频段信号极其微弱,需要至少25米口径的天线才能探测到,实践中是不可行的;红外、可见光和紫外脉冲星数量稀少,光度又比较低,要求较大口径的望远镜以及较高的指向精度和信号处理技术,因此,也不宜用于航天器自主导航。而X射线就不一样了,它属于高能光子,集中了脉冲星绝大部分辐射能量,只需要用比较小的设备就可以进行探测和信号处理,这就使X射线脉冲星应用于航天器导航成为可能。

卫星外形图

Q:脉冲星导航的原理是什么?

A:脉冲星导航的基本原理是: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,以实现航天器自主导航。也就是说,其观测距离是利用脉冲星发射的同一个X射线脉冲信号到达太阳系质心和航天器的时间差来测定的。利用脉冲星辐射的X射线信号作为天然信标,从而,可以实现导航星座长时间自主稳定运行。

整星太阳翼展开实物图

Q:为什么科学家这么希望航天器可以自主导航?

A:航天器自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义,一直是世界各航天大国推动航天技术发展的动力和目标。实现航天器自主导航,一方面可以减轻地面测控系统的工作负担,减少测控站的布设数量和地面站至航天器的信息注入次数,降低航天器(星座)系统建设和长期运行维持费用;另一方面,减少航天器对地面测控系统的依赖,增强系统自主生存能力。因此,航天器自主导航被誉为人类继人造卫星和载人航天后,第三次航天技术革命。然而,目前航天器仍然依赖地面测控系统来完成导航任务,尚未实现真正意义上的自主导航,而脉冲星导航是实现航天器长时间高精度自主导航最有希望取得突破的技术。

Q:现在的导航技术这么发达,难道还不够用么?

A:我们知道,人类导航经历了地文导航、天文导航和现代无线电导航三次跨越,但无论哪种导航都需要时间,时间测量是基本观测量,根据信号传播的时间来计算两者之间的距离。

以大名鼎鼎的GPS为代表的现代卫星导航系统能够为地球表面和近地空间用户提供全天候、全天时、高精度导航信息服务,已成为重要的空间基础设施,广泛应用于国民经济的各个领域,日益成为人们工作和生活所必需的一部分。然而,导航星座本身需要地面控制系统不断注入信息支持,不能脱离地面信息而独立运行,也不能修正星座整体旋转误差、地球自转非均匀误差和极移残差,误差随时间不断累积,致使星座难于长时间自主运行。如果导航星座能够实现自主导航,那么将有效地减轻地面测控系统的工作负担,减少测控站的布设数量和地面站至卫星的信息注入次数,降低卫星导航系统建设和长期运行维持费用,并实时监测导航信息完好性,减少导航星座对地面控制系统的依赖,从而增强了系统的自主生存能力。

现存的几大卫星导航系统只能为近地轨道航天器提供导航服务,对于深空探测和星际飞行任务则无能为力。在地面建立的深空探测网,其测控信号强度随距离衰减,这将导致测距误差不断增大;采用传统天文导航方式,导航精度较低、技术实现难度大,不能满足深空探测及星际飞行航天器无缝导航与精密控制要求。传统导航方式及其组合模式都难以满足深空探测与星际飞行自主导航与精密控制要求。

整星质测

Q:X射线脉冲星导航技术真有那么牛?

A:X射线脉冲星是突破导航卫星自主导航困境的有效途径。X射线脉冲星导航是以脉冲星辐射的X射线信号作为外部信息基准,经过相应的信号和数据处理,导航卫星能够高精度地进行轨道确定、时间同步和姿态测量,自主生成导航电文和控制指令,维持星座基本构形,不存在星座整体旋转误差累积问题,实现星座长时间自主运行。因此,X射线脉冲星为导航卫星自主导航提供了一种全新思路和实现途径。

对于实施深空探测和星际飞行任务的航天器来讲,X射线脉冲星导航与GPS系统和地基深空网相比具有其优越性。X射线脉冲星导航可以在整个太阳系内通过测量来自脉冲星辐射的X射线光子到达时间,确定相对于太阳系质心的位置与速度,是在大尺度时空基准下实现的自主导航技术。如果脉冲星的惯性角位置精度达到0.1毫角秒,且脉冲星计时模型精度、时间转换模型精度和脉冲到达时间测量精度均能够达到100纳秒,那么航天器轨道确定和授时精度就可以分别达到10米和1纳秒;同时,姿态测量精度也能达到角秒量级,能够满足深空探测和星际飞行器无缝导航与精密控制需求。

通过上述分析,我们就可以看出,脉冲星导航是以脉冲星发射的X射线信号为天然信标,在太阳系质心坐标系下,通过测量脉冲到达时间,航天器自主测定导航参数的过程。卫星导航是以导航卫星发射的微波测距码信号为信标,在地球质心坐标系下,通过测量测距码信号到达时间,用户接收机测定导航参数的过程。前者是依靠地面授时,而后者是依靠宇宙中最精准的时钟授时,两者是完全不同的。脉冲星导航具有信息完备性、实时操作性、不发信号、不依赖地面站和长时间运行等航天器自主导航的特征,最终的定位精度与目前卫星导航一样可以达到10米的水平,且可以有效节约资源,极大增强系统自主生存的能力,具有传统导航技术无法比拟的性能优势。因此,脉冲星导航极有可能是真正意义上的航天器自主导航的最佳选择,脉冲星极有希望成为推动卫星导航划时代革命的“大明星”。

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