宇宙那么大，你想去看看？最近，“慧眼”衛(wèi)星帶來(lái)了一條好消息：宇宙導(dǎo)航的精度可以更高，別擔(dān)心找不到回家的路。

　　8月21日，美國(guó)《天體物理雜志（增刊）》發(fā)表了一篇來(lái)自“慧眼”衛(wèi)星的科研成果。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所（以下簡(jiǎn)稱中科院高能物理所）的科學(xué)家利用“慧眼”衛(wèi)星開(kāi)展了X射線脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，定位精度達(dá)到10公里之內(nèi)（3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差），進(jìn)一步驗(yàn)證了航天器利用脈沖星自主導(dǎo)航的可行性，為未來(lái)在深空的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，相關(guān)技術(shù)可應(yīng)用于深空探測(cè)和星際旅行。

　　宇宙里的“燈塔”

　　人類探索宇宙的腳步不斷加快，越來(lái)越多的空間探測(cè)器飛向太陽(yáng)系中的各類天體。可是，由于這些航天器遠(yuǎn)離地球，現(xiàn)有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)難以為它們提供可靠的導(dǎo)航服務(wù)。盡管美國(guó)、俄羅斯等國(guó)曾嘗試?yán)玫孛娲笮蜕潆娞炀€建立“深空測(cè)控網(wǎng)”，為遙遠(yuǎn)的飛行器提供導(dǎo)航服務(wù)，但導(dǎo)航精度會(huì)隨著與地球距離的增加而變差。

　　星際旅行怎么才能不迷航？科學(xué)家將目光聚焦到不依賴地面設(shè)備的航天器“自主導(dǎo)航”技術(shù)上。X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)就是其中的一種。

　　“慧眼”衛(wèi)星脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)工作負(fù)責(zé)人、中科院高能物理所副研究員鄭世界介紹，X射線脈沖星導(dǎo)航是利用宇宙中遙遠(yuǎn)的天體——脈沖星發(fā)出的精確周期性脈沖信號(hào)，為太空中的航天器提供導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。

　　脈沖星是一類高速轉(zhuǎn)動(dòng)的中子星，是大質(zhì)量恒星在壽命的晚期發(fā)生“超新星爆發(fā)”后留下的致密天體。其脈沖信號(hào)具有長(zhǎng)期的高穩(wěn)定度，堪比甚至優(yōu)于地球上的原子鐘，可作為宇宙中的時(shí)間基準(zhǔn)。因此，脈沖星也被稱作“宇宙燈塔”或星際旅行中“天然的GPS衛(wèi)星”。

　　脈沖星發(fā)出的兩個(gè)相鄰脈沖的時(shí)間間隔是恒定的。如果航天器朝向脈沖星運(yùn)動(dòng)，接收到的脈沖間隔會(huì)縮短，反之則會(huì)變長(zhǎng)，觀測(cè)得到的脈沖輪廓也隨之發(fā)生變化。因此，通過(guò)分析航天器接收到的不同方向的脈沖星脈沖信號(hào)的特性，就可以反推得到航天器在空間的三維位置、速度或運(yùn)動(dòng)軌道。

　　地球人的嘗試

　　近年來(lái)，X射線脈沖星導(dǎo)航受到越來(lái)越多的關(guān)注。

　　2004年，歐空局發(fā)布了“基于脈沖星時(shí)間信息的航天器導(dǎo)航可行性研究”技術(shù)報(bào)告。2018年1月，美國(guó)國(guó)家航天局（NASA）在國(guó)際空間站上首次進(jìn)行了實(shí)時(shí)在軌脈沖星自主導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，在觀測(cè)脈沖星7.5小時(shí)后，使自主導(dǎo)航的精度達(dá)到5千米（1倍標(biāo)準(zhǔn)偏差），并明確表示要將X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用到“重返月球計(jì)劃”及未來(lái)的火星探測(cè)計(jì)劃中。

　　我國(guó)在脈沖星導(dǎo)航方面也進(jìn)行了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究。鄭世界表示，2016年9月，中國(guó)天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射升空，我國(guó)科學(xué)家利用天宮二號(hào)上的“天極望遠(yuǎn)鏡”——伽馬射線暴偏振探測(cè)器（POLAR），在國(guó)內(nèi)首次成功完成了脈沖星導(dǎo)航的空間實(shí)驗(yàn)。同年11月，我國(guó)還發(fā)射了脈沖星實(shí)驗(yàn)星XPNAV-01，開(kāi)始開(kāi)展脈沖星探測(cè)及相關(guān)研究。

　　2017年6月15日，我國(guó)第一顆X射線天文衛(wèi)星“慧眼”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射?！盎垩邸毙l(wèi)星攜帶了高能、中能、低能的三種X射線望遠(yuǎn)鏡載荷和空間環(huán)境監(jiān)測(cè)器。研究團(tuán)隊(duì)利用該衛(wèi)星成功開(kāi)展了X射線脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了脈沖星導(dǎo)航的可行性。

　　“慧眼”上的實(shí)驗(yàn)

　　從2017年8月31日至9月5日，“慧眼”衛(wèi)星曾對(duì)著名的蟹狀星云脈沖星進(jìn)行了持續(xù)約5天的觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)衛(wèi)星的自主定位。

　　“慧眼”衛(wèi)星首席科學(xué)家張雙南介紹，這套自主定位的算法是中科院高能物理所的研究團(tuán)隊(duì)于2016年提出的一種新的X射線脈沖星導(dǎo)航算法——“脈沖輪廓顯著性與衛(wèi)星軌道的關(guān)聯(lián)分析”。該算法的可行性已在POLAR實(shí)驗(yàn)上得到初步驗(yàn)證。在對(duì)該導(dǎo)航算法進(jìn)一步改進(jìn)之后，科研人員用該算法分析了“慧眼”衛(wèi)星上3種望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示，3種望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)均可實(shí)現(xiàn)“慧眼”衛(wèi)星的自主定位；如果綜合利用這3臺(tái)望遠(yuǎn)鏡5天的觀測(cè)數(shù)據(jù)，導(dǎo)航的定位精度可以達(dá)到10公里（3倍標(biāo)準(zhǔn)偏差），相當(dāng)于定位精度3.3公里（1倍標(biāo)準(zhǔn)偏差），與美國(guó)國(guó)家航空局的實(shí)驗(yàn)精度相當(dāng)。

　　為了進(jìn)一步檢驗(yàn)該導(dǎo)航算法的可行性與可靠性，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)行了充分的理論分析，并選取多種類型的脈沖星進(jìn)行模擬驗(yàn)證，結(jié)果顯示該方法對(duì)其他導(dǎo)航脈沖星同樣適用。這一結(jié)果為該算法的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　2018年9月，科研人員將“慧眼”衛(wèi)星上的脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)成果投稿到美國(guó)《天體物理雜志（增刊）》，并于2019年6月11日被正式接收。

　　審稿人認(rèn)為，“‘慧眼’衛(wèi)星開(kāi)展的在軌演示驗(yàn)證是對(duì)脈沖星導(dǎo)航發(fā)展的重要貢獻(xiàn)”“文章最后的模擬分析部分特地從數(shù)學(xué)上驗(yàn)證了該方法的可行性……相信這是對(duì)脈沖星導(dǎo)航的非常好的貢獻(xiàn)”。

　　相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.3847/1538-4365/ab3718

　　（原載于《中國(guó)科學(xué)報(bào)》 (2019-08-23 第1版 要聞：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2019/8/348944.shtm  ）