脉冲星导航开启新时代,全球首颗脉冲星导航试

2019-09-06 作者:关于威尼斯   |   浏览(181)

  神舟飞船、天宫实验室、月球探测、登陆火星……在谈及中国雄心勃勃的航天计划时,越来越多的网友习惯引用一句话“我们的征途是星辰大海!”《环球时报》13日从中国航天科技集团第五研究院获悉,中国下月将择机发射世界首颗脉冲星导航试验卫星,以抢占航天前沿技术战略制高点。

探寻“宇宙灯塔” 脉冲星导航开启新时代
揭秘中国脉冲星试验卫星:或成最忙碌卫星

记者近日从中国航天科技集团公司五院获悉,我国全球首颗脉冲星导航试验卫星将于11月择机发射,将探测宇宙中的脉冲星,尝试验证脉冲星导航系统体制。

  航天科技集团五院脉冲星导航试验卫星科学任务系统总设计师帅平介绍说,听起来有些生僻的“脉冲星”,其实是死亡恒星的一种遗骸。它的密度极大,每立方厘米的脉冲星质量高达10亿吨,同时它又在高速旋转,每秒可自转上千次。按照“陀螺原理”,极大的质量和极高的转速,保证了脉冲星具备极其稳定的周期性,稳定度比当今世界最稳定的氢原子钟还要高一万倍,被誉为“自然界中最稳定的天文时钟”。由于美国GPS、中国北斗等卫星导航系统的精度,很大程度上依赖于导航卫星上装载的原子钟的时间稳定度,可以想见,如果能把脉冲星的这种超级稳定度特性应用在导航领域,带来的导航精度将有大幅提升。

10月13日,记者从中国航天科技集团公司第五研究院(以下简称“航天五院”)获悉,今年11月将择机发射全球首颗脉冲星导航试验卫星。卫星使命任务为在轨试验验证自主研制的X射线脉冲星探测器,进行X射线脉冲星观测,验证脉冲星导航技术体制,探索新型导航技术。

京华时报讯10日上午7点42分,我国在酒泉卫星发射中心用长征十一号运载火箭,成功发射了脉冲星试验卫星。该星属于太阳同步轨道卫星,卫星入轨并完成在轨测试后,将开展在轨技术试验。

此次脉冲星导航试验卫星将搭载两种不同技术体制的脉冲星探测器,一种为准直型微通道板探测器,另一种为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,以解决在轨“看得见”X射线脉冲星的问题。

  目前已发现和编目的脉冲星超过2000颗,其中约160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。脉冲星导航试验卫星总指挥兼总设计师薛力军说,脉冲星导航的原理是:将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。他举例说,当今各种卫星和探测器在宇宙中运行时,仍需要地球指令进行校准,才能准确定位自己在太空中的方位。脉冲星导航技术成熟后,未来探测器将可以把脉冲星作为宇宙中的“灯塔”,自行判断所处方位,大幅减少航天器对地面测控系统的依赖,提升它的抗干扰和自主生存能力。薛力军形容说,脉冲星导航技术是未来实现深空探索、星际飞行的主要技术手段,“无论航天器飞得多远,地球母亲也不会担心它迷失方向”。

和已经成熟应用的以地球质心为时空基点的卫星导航不同,脉冲星导航以太阳系质心为时空基准点,能够为航天器进行长时间、高精度的自主导航与精密控制,是一种全新的导航技术。

此次发射的脉冲星试验卫星,主要用于验证脉冲星探测器性能指标和空间环境适应性,积累脉冲星试验卫星在轨试验数据,为脉冲星探测体制验证奠定技术基础。经过约10分钟的飞行,火箭准确将卫星送入预定轨道。

据介绍,脉冲星属于高速自转的中子星,具有极其稳定的周期性,其周期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”。

为深空探测导航的“宇宙灯塔”

同时,此次发射所使用的长征十一号固体运载火箭在完成脉冲星试验卫星发射任务外,还搭载4颗微小卫星,“一箭五星”刷新了我国固体运载火箭一箭多星的发射纪录。其中,两颗由民营企业研制的卫星首次搭乘长征火箭进入太空,标志着长征十一号已经具备支撑民营航天器发射的能力。

脉冲星作为宇宙航行的“灯塔”,依靠自身发出的极为稳定的X射线脉冲信号,能够为近地轨道、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,工程应用前景广阔。

天文学家发现,恒星的核能耗尽以后,死亡的恒星遗骸可以分为白矮星、黑洞和中子星等三类。1967年,天文学家偶然发现了周期稳定的射电脉冲源,命名为“脉冲星”。脉冲星是恒星遗骸的一种,属高速自转的中子星,是除黑洞外密度最大的天体。

据了解,这是长征系列运载火箭的第239次飞行。

值得关注的是,此次飞行任务是我国在航天器自主导航技术领域的一次革命性突破,卫星平台及核心载荷均由五院自主研制完成。整个卫星项目从论证到研制完成历时三年,从卫星任务确定开始正样研制到整星出厂仅用时10个月,这标志着我国微小卫星设计建造水平进入了一个新的阶段。

研究表明,脉冲星会在射电、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,其中在X射线频段上辐射信号的脉冲星称为“X射线脉冲星”。

>>科普

后续,五院脉冲星导航研究团队还计划通过5~10年的努力,持续探测26颗脉冲星,建立精确的脉冲星导航数据库,并在此基础上开展脉冲星导航的工程应用,实现真正意义上的航天器高精度自主导航。来源:航天科技网站

脉冲星自转轴与磁极轴之间有一个夹角,两个磁极各有一个辐射波束。当星体自转且磁极波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时,探测设备就能够接收到一个脉冲信号。脉冲星具有良好的周期稳定性,其稳定度达到10的负19次方。

脉冲星试验卫星是怎样一颗卫星

航天五院脉冲星导航试验卫星科学任务系统总设计师帅平向《中国科学报》记者介绍,由于脉冲星比氢原子钟还要高1万倍的稳定周期,它是自然界最精准的天文时钟,也被誉为“宇宙灯塔”。

京华时报记者从中国航天科技集团第五研究院获悉,作为自然界最稳定的天文时钟,脉冲星将成为未来人类探索宇宙的“灯塔”。截至目前,已发现和编目的脉冲星数量已达到2000多颗,其中约160多颗具有良好X射线周期辐射特性,可作为导航候选星。

据悉,此次探测的脉冲星为蟹状星云脉冲星。同时,还计划探测3颗低流量的脉冲星,并开展相关拓展试验。

X射线脉冲星依靠自身发出的极为稳定的X射线脉冲信号,将有可能为近地轨道、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。

尝试开启导航新时代

威尼斯正规平台,脉冲星试验卫星的工作原理,是通过捕捉脉冲星发出的X射线,来找到这种奇特的天体。这颗卫星搭载两种不同类型的探测器,上天实测其性能,试验目标是利用探测器研究宇宙的背景噪声,同时,探测蟹状星云脉冲星,解决中国研制的探测器“看得见”脉冲星的问题。

由于X射线是高能光子,难于穿过地球稠密的大气层,只能在地球大气层外空间观测到。因此,利用脉冲星导航不能直接对地面进行导航,但能对近地轨道卫星、深空探测及星际飞行器进行导航。

航天科技集团五院脉冲星导航试验卫星科学任务系统总设计师帅平曾对媒体介绍,整个卫星项目从论证到研制完成历时3年,从卫星任务确定开始正样研制到整星出厂用时10个月,标志着我国微小卫星设计建造水平进入了一个新的阶段。

事实上,40年前就有科学家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。

据了解,未来航天科技集团五院脉冲星导航团队还计划用5至10年的时间,持续探测26颗脉冲星,建立精确的脉冲星导航数据库,首先为这种自然形成的宇宙“灯塔”绘制最基础的地图,以便进行后续导航技术的试验。

“我们尝试依靠它发出的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。”帅平表示。

>>揭秘

该卫星将搭载“准直型微通道板探测器”和“掠入射聚焦型探测器”两大关键设备。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。其中,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。

“没日没夜”工作或成最“忙碌”卫星

研究人员还计划通过5到10年的努力,探测26颗脉冲星,建立脉冲星导航数据库。

航天科技集团五院脉冲星导航试验卫星总指挥兼总设计师薛力军介绍,为尽快获得科学数据,研究人员希望卫星可以“没日没夜”地工作,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。

向“并跑、领跑”迈进

为此,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”,卫星就可以自主分解所需要的动作,完全自主按照计划逐一完成全部观测动作。

在航天五院脉冲星导航实验卫星总指挥兼总设计师薛力军看来,全球首颗脉冲星导航卫星从科学任务研究到任务确定开始、再到整星出厂,各项工作几乎没有先例可循。因此,参研人员都戏称自己为“第一个吃螃蟹的人”。

更为重要的是,地面人员可以一次性告诉卫星“一百句”,这相当于一周的观测任务,卫星可以全部记住,并自行排序,然后“乖乖地”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”。

2005年,航天五院率先启动脉冲星导航技术的概念研究,距今仅用了11年时间。2012年,航天五院正式组建了“钱学森空间技术实验室”,脉冲星导航技术研究是其中的一个团队。为鼓励创新,院内提供启动研究经费,研究人员不需要为争取经费而申请项目。同时,实验室不设研究部门,而完全围绕共同的研究目标,研究人员自愿组建团队。在人员引进及考核评估方面,则采取国内外同行评估的机制,不取决于机关、领导的意见。

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用航天五院研究发展部黄献龙的话说,正是航天五院在科研管理上的新尝试及帅平带领的科研团队敢于挑战高难技术,实现了这项“貌似不靠谱”的创新。“脉冲星导航卫星的研制充分体现了国家创新实践的时代特征——从跟跑到并跑、领跑的转变。”黄献龙表示。

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