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又是全球首颗!中国这颗卫星或将彻底改变“导航”世界

来点科学2021-01-09 11:42:23

导读

来自航天科技集团第五研究院的消息显示,2016年11月中旬,我国将择机发射全球首颗脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1)。路痴的你会用GPS导航,也听说过北斗导航,可是脉冲星导航你听说过吗?



激动人心!这一次,中国要成为“第一个吃螃蟹的人”了。这个神秘的“脉冲星导航”一旦实现,不久的将来,我们的航天器可以自主运行,我们对表的时间将是脉冲星时间。


脉冲星,死亡的恒星



恒星和人类一样,经历从孕育诞生,到成长、成熟,以及最终衰老死亡的整个过程。恒星的核能耗尽以后,便走向死亡,而死亡的恒星遗骸可以分为三类:白矮星、黑洞和中子星。


脉冲星属于高速自转的中子星,它的典型半径仅有10公里,其质量却在1.44倍至3.2倍太阳质量之间,是除黑洞外密度最大的天体。每立方厘米的脉冲星质量达到10亿吨,其引力强大到让光成为抛物线才能挣脱。


1967年,科学家在行星际闪烁观测研究中,偶然发现一个时隐时现的射电脉冲源,其周期非常稳定,每隔1.3373秒记录一次脉冲信号,取名为脉冲星。


脉冲星导航能带我找到路吗?


too young too simple!脉冲星可不是给你,也不是给我导航的,它和我们所认识的那些导航可不一样。


卫星导航——以地球质心为时空的基准点,以导航卫星发射的微波测距码信号为信标,通过测距码信号到达时间用户接收机测定位置和时间等参数的过程。


脉冲星导航——以太阳系质心为时空的基准点,以脉冲星发射的X射线信号为天然信标,通过测量脉冲到达时间航天器自主测定位置和时间等参数的过程。


脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等电磁波频段产生信号辐射。通常把在X射线频段上辐射信号的脉冲星叫做X射线脉冲星。脉冲星具有极其稳定的周期,其稳定度比目前最稳定的氢原子钟还要高1万倍以上,被誉为自然界最精准的天文时钟。


目前,已发现和编目的脉冲星达到2000多颗,其中约有160多颗脉冲星具有良好的X射线周期辐射特性,可以作为导航候选星。


X射线属于高能光子,集中了脉冲星绝大部分能量,易于小型化设备探测与处理,但难于穿过地球稠密大气层,只能在地球大气层外空间观测到。所以,脉冲星导航系统不能直接对地面进行导航,而是对近地轨道卫星、深空探测及星际飞行器进行导航。


形象概述脉冲星导航原理就是:X射线脉冲星作为宇宙中的“灯塔”,依靠自身发出的极为稳定的X射线脉冲信号,为近地轨道、深空探测和星际飞行航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等丰富的自主导航信息服务,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。


尽管40年前就提出了脉冲星导航的概念,但是基于现代卫星导航的时间测距思想,利用X射线脉冲星的航天器自主导航理论研究也只经历了10年的发展。


揭秘脉冲星导航科学试验项目



这枚脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1),将要探索宇宙中那些最神秘的中子星,目的是实测脉冲星发射的X射线信号,尝试验证脉冲星导航技术体制的可行性,实施脉冲星导航空间验证及后续空间基准星座建设,以抢占世界航天前沿技术战略制高点。


简言之,这次卫星上天,需要解决三大问题——“看得见”、“测得准”、“用得上”。


为了解决、验证X射线脉冲星在轨“看得见”的问题,脉冲星导航试验卫星,搭载了两种不同技术体制的脉冲星探测器。一种是准直型微通道板探测器,一种是掠入射聚焦型探测器。


这两种X射线脉冲星探测技术均是我国首次在轨使用。两种探测器在性能上各有所长,均可以独立完成探测任务。微通道板探测器的有效探测面积大,所需的脉冲星观测时间短;掠入射聚焦型探测器的探测效率高,设备规模小。


一方面通过多种探测技术对X射线脉冲星的在轨观测获取第一手的科学数据,进一步开展脉冲星导航;另一方面,也为未来脉冲星探测器的技术发展方向提供实际数据支撑,为脉冲星导航技术的工程化奠定基础。


而且,此次脉冲星导航科学试验项目任务复杂程度非常之高。


为了尽快尽多的获得科学数据,研究人员希望卫星可以“没日没夜”的工作,希望卫星具备在一天的全部轨道圈次内均进行工作的能力。实现了此目标,脉冲星导航试验卫星可能成为在轨最为“忙碌”的一颗卫星。


按照现有的技术手段,卫星每完成一次“凝视观测”任务,地面需预先上注大约50条指令。这些指令主要用于设置探测器状态、设置卫星平台设备进入观测状态、设定卫星姿态调整计划以及结束观测任务后的卫星状态恢复等。


这些操作全部需要通过地面人员上注指令控制完成。若要实现卫星每圈都观测的目标,则地面人员需要在卫星整个寿命期间,不停的上注控制指令,并监控状态。这几乎是“不可完成的任务”。


为了实现此目标,研究人员给卫星装上了一个“智能大脑”,教会了卫星自主进行观测等一系列动作。地面人员只需告诉卫星“一句话”(何时何地注视谁),卫星就可以自主分解成所需要的动作,完全自主按照计划逐一完成全部观测动作。


更为重要的是,地面人员可以一次性告诉卫星“一百句”(相当于一周的观测任务),卫星就可以全部记住,并自行排序,然后“乖乖的”完成全部的工作。这就相当于“给骆驼吃了一顿饭,然后让它穿过了整个沙漠”。


如此种种,让小编不由得说一句,脉冲星导航试验卫星,你这么牛你咋不上天呢?!


(脉冲星导航试验卫星:“你别急,11月我就上天。”)


不过,脉冲星导航试验星的研制,只是在脉冲星导航技术研究的征途中迈出了一小步,假如我们成功实现三大目标,并在未来真正实现了脉冲星导航,那……


如果我们能够实现脉冲星的导航,不用再从地面对卫星进行追踪测量,它将自行整理数据发回,告诉地球我在哪。”帅平说,一颗卫星每年维护费用达到6000万美元,包括设备、地面站布设,但如果实现自主运行,将会大大减轻地面测控站的负担、费用和工作量。

——脉冲星导航试验卫星科学任务系统总设计师帅平



字:邱晨辉,欧阳伊岚

编辑:卷卷毛


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