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【转载自搜狐】脉冲星导航,这事儿靠谱吗?

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发表于 2020-6-17 16:17:08 | 显示全部楼层 |阅读模式
脉冲星导航,这事儿靠谱吗?
2017-09-20 10:54
脉冲星导航靠谱吗?

导航在我们的生活中是无处不在的,我们最熟的导航方式是各种“地图”:高德地图,百度地图,谷歌地图等,其实质就是卫星导航。但是你们知道飞船在太空中是怎么导航的嘛?今天我们就为大家介绍一种飞船导航方式——脉冲星导航。

①脉冲星为谁导航?
导航是指按照预先的计划和规定将运动体从起始位置及时、安全、高效地引导到达目的地的过程。所谓运动体,是指车辆、舰船、飞机和航天器等可移动的人造物体,以及从人类本身扩展到其它生物体的活动行为。完整的导航过程包括路径规划、当前位置、航迹偏差和偏差修正4个方面的内容。从狭义上讲,将测定运动体位置、速度、时间和姿态等参数的方法和技术统称为导航。
卫星导航是通过三球定位原理对地面目标物体进行精确定位的。而在航海中,船只也需要知道自己所在的位置、航向、航速,这样才可以估计剩余的航行时间、修正方向,避免在大海中迷途。同样,航天飞行器也需要导航,虽然这些飞行器的运行轨道都是预先计算好的,但是,进入太空之后,实际运行受很多复杂因素的影响,可能会偏离事先设计的状态,需要实时进行调整。而进行调整的前提,就是通过导航系统,确定飞行器真实的位置、运动方向和速度等参数。脉冲星辐射的X射线信号恰恰能够为航天器提供自主导航信息,就能成为宇宙中航行的灯塔。

脉冲星导航是不能直接为地面用户提供服务的,脉冲星导航就是以脉冲星辐射的X射线光子作为天然信标,航天器自主确定轨道、时间以及姿态参数,并引导航天器沿着设计的轨道飞向目标轨道或目标天体的过程叫做X射线脉冲星导航(XPNAV)。由于脉冲星辐射的X射线光子不能穿透地球稠密大气层,因此脉冲星导航实际上是针对航天器的自主导航,能够为宇宙飞行的航天器以及无稠密大气的行星表面巡游提供导航服务,而不能直接为地面用户提供服务,所以,脉冲星是宇宙航行的灯塔。

②脉冲星到底是个啥?
1967年,英国剑桥大学博士贝尔(S.J.Bell)在行星际闪烁的观测研究中偶然地发现一个时隐时现的射电脉冲源,其周期非常稳定,每隔1.3373s记录一次脉冲信号,并取名脉冲星。脉冲星是大质量的恒星演化而来的高速旋转的中子星,具有极其稳定的周期,被誉为自然界中最稳定的天文时钟。这些中子星上发出的具有方向性的光束,如同探照灯一样随着其自转而不断地扫过地球,由此地球上的望远镜收到了一个个的脉冲信号人们形象地把这种机制称为“灯塔模型”。脉冲星在不仅天文学学,天体物理和宇宙学研究中占据重要的地位,而且在高能物理学、空间应用科学和时频科学研究中也具有潜在的应用价值。
贝尔博士.jpeg
脉冲星发现者:贝尔博士
世界上第一份脉冲星记录手稿.jpeg
世界上第一份脉冲星记录手稿


脉冲星导航的基本原理

脉冲星距离地球有上千光年的距离,广泛地分布在银河系的各个方向。科学家设想,飞船离某颗脉冲星越近,接收到它的脉冲信号的时间就会越提前。相反地,飞船离某颗脉冲星越远,脉冲信号的到达时间就会被推迟。据此人们可以计算出飞船相对于脉冲星的位置;与此同时,当飞船向着某颗脉冲星飞行时,由于多普勒效应,飞船观测到的脉冲星发出脉冲的间隔将由于多普勒效应而减小;当飞船背离某颗脉冲星飞行时,飞船观测到的这颗脉冲星发出的脉冲间隔就会增加。与卫星导航类似,理论上,运行中的飞行器如果能够精确的测量至少3颗脉冲星发出的脉冲信号到达飞行器的时间,同时结合轨道运动规律,就能够推测出飞行器的位置、速度和方向等信息,从而摆脱地面控制系统,实现飞船自身的定位和导航。据此,可以综合多颗脉冲星的脉冲到达时间间隔的变化来推导出飞船运动的速度,以此实现飞船自身的定位和导航。
脉冲星导航原理图.jpeg
脉冲星导航原理图

但是脉冲星导航也有他自身的一些局限性,理想的脉冲星发出周期稳定的脉冲信号。由于太阳系质心与脉冲星之间的相对运动速度恒定不变,因此每一个脉冲达到太阳系质心的间隔都是恒定的。航天器处于太阳系质心坐标系中不同位置时, 同一个脉冲达到航天器和到达太阳系质心的时间会不一样;如果航天器朝向脉冲星方向运动,脉冲间隔会缩短,反之,则会变长。通过分析航天器接收到的(不同方向)脉冲星脉冲信号的特点,就可以得到航天器在太阳系质心坐标系之中的三维位置(或运动轨道)。由于脉冲星的X射线脉冲信号非常弱,不可能像GPS或者北斗一样实现瞬时的导航需要观测很长时间(如1000秒),才能得到一个有足够高信噪比的脉冲轮廓,因此脉冲星导航需要结合航天器的轨道模型,才能进行导航(定轨)。

(4) 科学家们的争论

2016年10月,中国空间技术研究院召开新闻发布会,准备在11月发射一颗XPNAV-1卫星。在新闻发布会上介绍说,该卫星是“世界首颗”“脉冲星导航” 实验卫星,发射上天之后,将开展“验证基于X射线脉冲星的航天器自主导航技术的可行性”;有了这颗卫星,“中国不在跟随美欧的脚步,而要成为‘第一个吃螃蟹的人’”。在新闻发布会上,宣称“当前,卫星导航定位精度为10米,脉冲星导航的最终精度也能够达到10米水平”。注意,就是这个10米的精度宣扬,引发了一场学术争论。
反对方代表徐星于10月22日发表了一片题为《脉冲星导航,精度10米?开启新时代?你逗我?!》的文章,驳斥了航天五院对于脉冲星导航精度10米的宣传。主要观点如下:
① XPNAV-1卫星项目种,关于脉冲星导航能有几公里到几十公里的精度就很好了,10米,绝对不可能。
② 航天五院的脉冲星导航项目存在“目标虚幻、机理不清、应用不明”的问题。

徐星
与此同时,中科院的数位科学家都对此事发表了自己的看法。中科院上海天文台的赵铭认为,最大的问题是脉冲星的脉冲信号非常微弱。在已经观测到的所有脉冲星里,来自蟹状星云脉冲星的信号最强。

赵铭
“用1平方米的接收器,每秒能接收到上千个光子。
其他的脉冲星信号强的最多也只是蟹状星云脉冲星的千分之一,或者更低。就算这些脉冲星每毫秒发射一个脉冲,我们每秒钟最多也只能接收到1个光子。因此,需要先通过大量的观测还原出脉冲星发出的‘完整信号’,然后才能从信号中推算出飞行器的位置和速度信息。”
“需要几个小时甚至更长时间才能积累观测到足够的光子得到一个完整的脉冲星信号。要通过三颗以上的脉冲星实现定位需要的时间就更久了,如果用脉冲星导航去月球的话,可能刚给了一个导航信号,飞船就已经飞过头了!”

中科院高能物理所的张双南在太阳系内深空飞行的巡航阶段利用脉冲星有可能提供辅助或者备用的导航信息,但是其精度不会好于目前已有的导航系统和导航技术,比如深空导航系统和光学导航技术。根据目前所掌握的有关脉冲星的天体物理理论,可能实现的导航精度能达到几千米,甚至几十千米都非常困难,这是国际脉冲星导航界的共识。虽然近年的工作表明,如果我们对于脉冲星的天体物理理论的研究取得进一步突破,略好于千米级的导航精度是有可能实现的,然而,对于是否能更精确,不要说10米,就是突破100米的精度,根据现有的脉冲星天体物理理论,这不可能做到。

XPNAV-1卫星系统的总设计师帅平,撰写了题为《脉冲星导航最终精度可达10米,没有功夫逗你玩!》的文章进行反击。在这篇文章里,帅平从“什么是导航?什么是脉冲星导航”开始,着重阐释了“为什么说脉冲星导航最终精度可达10米?”这个学术问题。结论有两个:
① 在一系列很严苛的条件下,“脉冲星导航精度就可以达到10米”。
② “脉冲星导航到底行不行,目前谁也不知道。因此,我们才要发射试验卫星,从解决探测器的问题入手,进而验证脉冲星导航系统技术体制的可行性,后续还需要做大量的研究工作。”

帅平
帅平的文章上线当天,徐星和上海天文台研究员赵铭两位科学家再一次针锋相对地向帅平提出了质疑。赵铭在文章《实事求是地说,它只是一颗X射线脉冲星计时观测实验卫星》当中,再一次从技术角度解释了为什么XPNAV-1根本不能进行脉冲星导航实验,为什么帅平在文章中证明10米精度时用到的证据是不成立的。并举了一个例子说明XPNAV-1:“1970年我国成功发射第一颗人造地球卫星,那么如果我们只是因为这颗卫星能够为火星探测打下最初的基础,就把它宣称为是火星探测实验卫星,并号称是世界首颗,能这么吹吗?”徐星的文章《脉冲星导航实验卫星,这是用纳税人多少个亿搭建起来的“虚构幻景”?》更不客气,不仅援引帅平的文章逐一进行反驳,指出以“虚构”一颗“完美的”脉冲星为基础,搭建起脉冲星导航的“幻景”。

一个严肃的结论

脉冲星导航到底行不行,目前谁也不知道。

不过,虽然我们还不知道脉冲星导航到底行不行,但是每一次新事物的发现都代表着我们国家的科学研究水平的一个提升,这可是个大好事!~ 非常感谢在一线做科研的专家学者的辛苦付出,今天为大家介绍的脉冲星导航的相关知识就到这里啦~ 我们下期节目再见~

参考文献
帅平丨《脉冲星 宇宙航行的灯塔》
郑伟 王奕迪 汤建国 刘利丨《X射线脉冲星导航理论与应用》
《脉冲星导航,精度10米?开启新时代?你逗我?!》
《脉冲星导航最终精度可达10米,没有工夫逗你玩!》
《脉冲星导航实验?你可能想多了》

原帖地址:https://www.sohu.com/a/193232696_224832


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