“慧眼”探路，“流浪地球”有了可靠导航

王诗? 张志超

2019-09-02 13:46:41　来源：南方日报

　　人类走向太空离不开导航。飞机可以用GPS、北斗等人造卫星导航，飞出地球就要用到“深空探测网”。但随着人类探索宇宙的脚步越来越远，深空探测网也会“鞭长莫及”。

　　“脉冲星导航”或许是人类在未来深空探测中最可靠的导航技术之一。

　　最近，中国科学院高能物理研究所研究人员利用我国首颗X射线天文卫星“慧眼”，成功开展了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），达到国际先进水平。

　　“慧眼”卫星脉冲星导航实验工作负责人、中国科学院高能物理研究所副研究员郑世界，日前接受南方日报记者的采访，解读这一将协助人类“走向深空”的技术。

　　已达到的精度有多高?

　　当我们离开地球进入宇宙空间，包括GPS、北斗等卫星导航系统都无法再使用。为此，美国耗巨资建立了“深空探测网”，在地球上相隔等间距建立了3个庞大的天线阵，利用它们来接受遥远的宇宙飞船发出的微弱信号实现通信及定位，为人类探索宇宙作出了重要贡献。

　　郑世界介绍，采用上述技术进行定位，其误差会随着与地球距离的增大而增大，平均每增加一个日地距离（约1.5亿公里），误差增大10公里。

　　“到达木星距离时（与地球的为4—6个日地距离），其误差将达到数十公里；对于正在飞离太阳系的旅行者1号、2号来说，其误差达到了上千公里。”郑世界说，“这种技术的另外一个问题就是通信时间过长：我们和木星之间的单向通信时间至少要30分钟，而和旅行者一号的单向通信时间达到17小时！这也就意味着，我们无法对这些飞行器的飞行轨道作出及时的调整。”

　　而利用脉冲星导航，可以避免这些问题。郑世界介绍，此次“慧眼”实验观测的“宇宙灯塔”——蟹状星云脉冲星距离我们有6000光年，利用脉冲星得到的导航误差不会随着我们的位置变化而变化。“这样即使在有一天，我们真的带着‘流浪地球’离开太阳系，也能精确地给我们导航。”

　　此外，郑世界表示，脉冲星导航技术，可以减少飞行器对地球的依赖，利用星上的人工智能技术就可以作很多自主判断和操作。

　　郑世界介绍，“我们在‘慧眼’卫星上开展的脉冲星导航实验表明，其定位误差在10公里之内，对于木星以外的深空中，已经优于深空网，这意味着脉冲星导航已经可以在深空中得到应用了。”定位精度10公里（3倍标准偏差）是什么意思？标准偏差是在科学分析中一种常用的判断可信度的方法，3倍标准偏差表示，这个值在99.7%的情况下是可信的。

　　据悉，2019年5月美国国家航天局（NASA）也表示要将X射线脉冲星导航技术应用到“重返月球计划”及未来的火星探测计划中。郑世界表示，“将来，随着脉冲星导航精度达到1公里乃至以下，必然会在火星探测、小行星探测等场景下得到更广泛的应用。”

　　什么样的脉冲星适合导航?

　　截至2018年底，澳大利亚天文台整理并公布了超过2700颗脉冲星，其中还未包括中国“天眼”望远镜发现的近100颗脉冲星以及待认证的100多颗脉冲星。

　　这些脉冲星中，哪些比较适合导航呢？

　　郑世界介绍：“在已知的接近3000颗脉冲星中，我们选择了10颗左右最适合用作导航的‘导航星’。”

　　“入选条件”之一是要在X射线波段有较强的脉冲辐射。

　　郑世界介绍，脉冲星辐射的信号涵盖了从射电、红外、可见光、紫外、X射线、伽马射线乃至更高能波段。其中X射线波段由于辐射的能量较强、探测设备易于小型化等优点，因此利用X射线波段的脉冲星信号实现导航，是最有可能的导航方式。

　　“这就需要选取在X射线波段有较强的辐射的脉冲星。”郑世界表示，目前，在X射线波段有辐射的脉冲星约有200多颗，但它们的脉冲光子流量差别很大。

　　郑世界介绍，本次实验中所选取的蟹状星云脉冲星是星空中最亮的“宇宙灯塔”之一，诞生于公元1054年的一次超新星爆发，这次爆发在《宋史·天文志》中有记载。它的脉冲光子流量约0.1个/cm2/s，也就是说当我们使用100cm2的探测器时，每秒钟可以收到10个脉冲光子。而大多数脉冲星的脉冲光子流量只有它的万分之一，同样的探测器，我们需要等待1000秒才能接收到一个脉冲光子。

　　另一个“入选条件”需要脉冲星具有稳定的周期。郑世界表示，脉冲星的脉冲周期虽然很精确，但也在逐渐演化，因此我们要求能准确预报它的演化行为。一般说来“年轻”的脉冲星通常“多变”，有时还会闹点小脾气，会发生像地震一样“星震”，发生星震之后，这颗脉冲星的周期发生了改变，如果恰好使用这颗脉冲星进行导航，就会造成导航精度出现很大的偏离；“年老”的脉冲星就“沉稳”得多。

　　他举例子说，例如已知最稳定的脉冲星PSR J0437-4715，年龄超过10亿，稳定度和地球上最好的原子钟相比拟，也是一颗非常好的导航脉冲星。另外，脉冲星的周期越短，通过观测得到的脉冲信号的精度越高。“因此我们主要选择周期最短的，脉冲信号周期在毫秒量级的脉冲星，作为我们的导航星。”

　　还有一个因素是，不同脉冲星辐射出来的脉冲形状（即脉冲轮廓）各不相同；导航脉冲星更应选择脉冲轮廓形状尖锐的脉冲星，这样导航精度也会提高。

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编辑：迟语洋

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