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              以人为本 服务至上 科学管理 勤政高效

              慧眼衛星成功進行X射線脈沖星導航在軌實驗

                

                中國科學院高能物理研究所的科学家利用慧眼卫星上的X射线望远镜开展了X射线脉冲星导航实验,定位精度达到10公里之内(3倍标准偏差),进一步验证了航天器利用脉冲星自主导航的可行性,为未来在深空的实际应用奠定了基础。相关论文已于2019年8月21日在美国《天体物理杂志》(增刊)正式刊出。

                2017年6月15日,我国第一颗X射线天文卫星“慧眼”在酒泉卫星发射中心成功发射,运行于高度550 千米、倾角43°的近地圆轨道上。慧眼卫星携带了高能X射线望远镜(HE,20-250 keV)、中能X射线望远镜(ME,5-30 keV)和低能X射线望远镜(LE,1-15 keV)三种科学载荷和空间环境监测器,在轨运行两年多,已经得到了关于黑洞、中子星、伽马射线暴乃至引力波暴等的海量观测数据,科学结果正在源源不断地产生之中。与此同时,中國科學院高能物理研究所的慧眼卫星研究团队还利用该卫星成功开展了X射线脉冲星导航实验,进一步验证了脉冲星导航的可行性。

                人类探索宇宙的脚步不断加快,范围越来越广。1977年发射的“旅行者1号”、“ 旅行者2号”正在飞向太阳系之外的茫茫宇宙深处。今日,越来越多的空间探测器飞向太阳以及其七大行星、矮行星、小行星、彗星等太阳系内天体。由于这些航天器远离地球,美国的全球卫星导航系统(GPS)、我国的北斗卫星导航系统等都已经难以为它们提供可靠的导航服务。为此,美国、俄罗斯等国利用地面大型射电天线建立“深空测控网”,为悠远的飞行器提供导航服务,但其提供的导航精度会随着与地球距离的增加而变差,因此不依赖地面设备的航天器“自主导航”技术受到越来越多的关注。

                慧眼衛星脈沖星導航實驗工作的負責人鄭世界副研究員說:“X射線脈沖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——脈沖星發出的精確的周期性脈沖信號爲太空中的航天器提供導航和授時服務。”脈沖星是一類高速轉動的中子星,是大質量恒星在壽命的晚期發生“超新星爆發”後留下的致密天體,其脈沖信號的長期時間穩定度很高,堪比甚至優于地球上的原子鍾,可作爲宇宙中的時間基准,因此脈沖星也被稱作“宇宙燈塔”或星際旅行中“天然的GPS衛星”。如同地面使用衛星信號進行導航一樣,航天器通過觀測脈沖星,也可以實現自主導航,即脈沖星導航。美國國家航天局(NASA)除了在國際空間站中成功試驗X射線脈沖星導航外,也明確表示要將X射線脈沖星導航技術應用到“重返月球計劃”及未來的火星探測計劃中。

                脈沖星導航的基本原理是:雖然脈沖星發出的兩個相鄰脈沖的時間間隔(或稱爲脈沖周期)是恒定的,但假如航天器朝向脈沖星運動,接收到的脈沖間隔會縮短,反之,則會變長,觀測得到的脈沖輪廓也隨之發生變化;脈沖到達X射線探測器的精確時間則由探測器相對于脈沖星的距離、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)脈沖星脈沖信號的特性,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)。

                脈沖星距離地球十分遙遠(幾百、幾千光年乃至更遠),不必擔心其受到人爲影響,脈沖星導航的精度也不隨航天器所處位置而改變,可作爲深空中的理想導航手段。因此,X射線脈沖星導航在近年來得到越來越多的關注。2004年,歐空局發布了“基于脈沖星時間信息的航天器導航可行性研究”技術報告。2018年1月,美國NASA發布新聞,公布在國際空間站上搭載的NICER/SEXTANT項目成功進行了首次實時的在軌脈沖星自主導航試驗1,在觀測脈沖星7.5小時後,自主導航的精度達到5千米(均方根或1倍標准偏差)。

                我国在脉冲星导航方面也进行了大量理论和实验研究。郑世界说:“ 2016年9月,中国天宫二号空间试验室发射升空,我们利用天宫二号上的 “天极望远镜”——伽玛射线暴偏振探测器(POLAR)成功完成了脉冲星导航的国内首次空间实验,11月,中国还发射了脉冲星试验星XPNAV-01,开始开展脉冲星探测及相关研究”。

                慧眼卫星首席科学家张双南介绍了慧眼卫星这次开展脉冲星导航实验的情况:“ 2017年8月31日至9月5日,慧眼卫星对著名的蟹状星云脉冲星进行了持续约5天的观测,以试验对卫星自主定位。自主定位的算法是高能所的研究团队于2016年提出的一种新的X射线脉冲星导航算法——‘脉冲轮廓显著性与卫星轨道的关联分析’,该算法的可行性已在POLAR实验上得到初步验证”。这一次,他们对该算法做了进一步改进,并将该导航算法分别应用到慧眼卫星上3种望远镜的观测数据,结果显示,均可落实慧眼的自主定位;假如综合利用所有望远镜5天的观测数据,其定位精度可以达到10公里(3倍标准偏差),相当于定位精度3.3公里(1倍标准偏差),说明慧眼的脉冲星导航实验的精度和NICER/SEXTANT的结果相当。

                为了进一步检验该导航算法的可行性与可靠性,研究团队还进行了充分的理论分析,并选取多种类型的脉冲星进行了模拟验证,结果显示该方法对其它导航脉冲星同样适用,为该算法的实际应用奠定了基础。基于慧眼卫星的脉冲星导航实验结果在2018年9月投稿到美国《天体物理杂志》(增刊),并于2019年6月11日被正式接受,审稿人认为 “慧眼卫星开展的在轨演示验证是对脉冲星导航发展的关键贡献”,“特别地,文章最后的模拟分析部分从数学上验证了该方法的可行性。……相信这是对脉冲星导航的非常好的贡献”。

                慧眼卫星是我国第一颗X射线天文卫星,由国家民用航天和中科院空间科学先導專項(I期)共同支持,于2017年6月15日发射,设计寿命4年。目前,卫星平台及各有效载荷在轨运行正常、技术状况稳定。该项研究得到了国家重点研发计划项目(编号2016YFA0400800)和国家自然科学基金联合基金项目(编号U1838101,U1838201,U1838202)等的支持。

                更多詳情請閱讀原文:

                In-orbit demonstration of X-ray pulsar navigation with the Insight-HXMT satellite,ApJS, 244,1, 2019 (https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4365/ab3718) 

                參考文獻或鏈接:

                (1) NASA test proves pulsars can function as a celestial GPS, Nature News, 47, 9505, 2018

                (2) https://www.nasa.gov/feature/goddard/2019/nasa-navigation-tech-shows-timing-really-is-everything

                (3) https://files.aas.org/aas231/aas_231_press_2018-01-11_10_15_its_amazing_what_you_can_do_with_space_telescopes.mp4

                (4) 基于天宫二号POLAR的脉冲星导航实验,中国科学:物理学、力学、天文学, 47, 09, 2017

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