太空迷路怎么办?或用脉冲星X射线定位?

文章作者:bianji3 | 2018-01-16
字体大小:

  利用GPS定位卫星,在全球范围内实时进行定位、导航的系统,称为全球卫星定位系统,简称GPS。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。

  据外媒报道,有了GPS,人们很难在地球上走丢,但如果换成深太空则完全是另外一回事了。令人难以置信的距离、三维旅行、明显地标的匮乏 ,这一切都让太空导航变得异常复杂。在过去,脉冲星被作为一个解决方案,不过现在,一支NASA科研团队提出了一个新方法,即宇宙飞船通过追踪一组脉冲星的可预测X射线信号来不间断地、自动估算自己当前的位置。

 脉冲星(Pulsar),又称波霎,是中子星的一种,为会周期性发射脉冲信号的星体,直径大多为10千米左右,自转极快。

  据了解,当恒星死亡时,它们会自动坍缩,通常都变成了黑洞,但并不是所有都这样,如果是质量是我们太阳10-29倍的恒星,它们将变成中子星。在这当中,部分中子星由于极强磁场和极快旋转作用而会从两级发射出电磁辐射光束,如果地球在这些光束的路径中就能检测到信号,也就是“脉冲”并由此得名脉冲星。

  X射线脉冲星能够为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息,从而实现航天器长时间高精度自主导航与精密控制,具有广阔的工程应用前景。同时,开展X射线脉冲星导航与探测技术研究,将直接促进X射线天体物理学等科学研究领域的发展。

  由于脉冲星以恒定的速度旋转,所以它们信号的预测准确度非常高,像毫秒脉冲星甚至对未来几年作出预测。正是因为这种极端的规律性使其成为了完美的深空导航工具。

  用这些天然的信标导航这一想法早在2012年就已形成,一直到2016年,欧航局(ESA)才对此公布了一份详细的可行性研究,其概述了脉冲星导航的工作原理。现在,NASA则将这一设想搬到了现实,他们展开了一个叫做Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology(以下简称SEXTANT)的实验。

  科研团队在实验中使用了装有52个X射线望远镜的Neutron-star Interior Composition Explorer(NICER)探测器。2017年11月,团队对4个特定毫秒脉冲星进行了实验,期间他们进行了78次时间测量。机载算法将这些数据组合在一起然后精准定位出NICER的位置,最终再将结果与卫星GPS数据进行比较。

  尽管NICER在地球轨道的飞行速度超过了17500mph(28000km/h),但这种新方法仅用了8个小时时间就将位置缩小到了10英里(16公里)的半径范围内,最好的时候则能达到了3英里(5公里)。

  SETANT系统构架师Luke Winternitz表示,这比他们实验分配的两周时间要快得多。

  虽然3英里的误差对于寻找地球上的房子可能太大,但在浩瀚的太空内却可以忽略不计。

  如果脉冲导航系统最终投入使用,那么未来太空飞船将能精确地追踪到它们在三维空间的位置并可以在不需要跟地球通信的情况下也能自动调整路线让自己停留在目标位置上。

  获悉,第二轮实验将在今年下半年进行。

  X射线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性能优势,其技术特征如下:

(1)全信息——X射线脉冲星导航能够为航天器提供10维导航信息,包括3维位置、3维速度、3维姿态和1维时间。传统的导航技术手段只能提供部分导航信息,如卫星导航能提供位置、速度和时间信息;惯性导航系统仅能提供姿态信息;传统天文导航系统只能提供姿态和位置信息。

(2)全空域——X射线脉冲星导航适用于整个太阳系,从近地轨道、深空至星际飞行的无缝导航。脉冲星辐射的X射线信号可在大气层外的整个太阳系空间被探测到,针对各类航天飞行任务需求,可以选择不同导航参考点,对导航算法进行适应性修改,以满足航天器自主导航应用需求。

(3)长时间——X射线脉冲星导航是以太阳系质心作为时空基准点,是在绝对参考框架下为航天器(导航星座)提供导航信息服务,解决导航星座整体旋转问题,实现星座长时间自主运行。

(4)高精度——X射线脉冲星导航最终精度能够达到:定轨精度10米、时间同步精度1纳秒和姿态测量精度3角秒,这是传统天文导航技术难以比拟的。

(5)自主性——脉冲星辐射的X射线信号是一种天然信标,因此X射线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自主导航特征,是真正意义上的航天器自主导航的有效途径。

Copyright © 2009-2018 外星探索www.ufo-1.cn 版权所有 关于我们| 法律声明| 免责声明| 隐私条款| 广告服务| 在线投稿| 联系我们| 不良信息举报