慧眼衞星成功進行X射線脈衝星導航在軌實驗_風聞

來源：微信公眾號“中科院高能所”

慧眼衞星成功進行X射線脈衝星導航在軌實驗****相關技術可應用於未來的深空探測和星際旅行

中國科學院高能物理研究所的科學家利用慧眼衞星上的X射線望遠鏡開展了X射線脈衝星導航實驗，定位精度達到10公里之內（3倍標準偏差），進一步驗證了航天器利用脈衝星自主導航的可行性，為未來在深空的實際應用奠定了基礎。相關論文已於2019年8月21日在美國《天體物理雜誌》（增刊）正式刊出。

2017年6月15日，我國第一顆X射線天文衞星“慧眼”在酒泉衞星發射中心成功發射，運行於高度550 千米、傾角43°的近地圓軌道上。慧眼衞星攜帶了高能X射線望遠鏡（HE，20-250 keV）、中能X射線望遠鏡（ME，5-30 keV）和低能X射線望遠鏡（LE，1-15 keV）三種科學載荷和空間環境監測器，在軌運行兩年多，已經得到了關於黑洞、中子星、伽馬射線暴乃至引力波暴等的海量觀測數據，科學結果正在源源不斷地產生之中。與此同時，中國科學院高能物理研究所的慧眼衞星研究團隊還利用該衞星成功開展了X射線脈衝星導航實驗，進一步驗證了脈衝星導航的可行性。

人類探索宇宙的腳步不斷加快，範圍越來越廣。1977年發射的“旅行者1號”、“

旅行者2號”正在飛向太陽系之外的茫茫宇宙深處。今天，越來越多的空間探測器飛向太陽以及其七大行星、矮行星、小行星、彗星等太陽系內天體。由於這些航天器遠離地球，美國的全球衞星導航系統（GPS）、我國的北斗衞星導航系統等都已經難以為它們提供可靠的導航服務。為此，美國、俄羅斯等國利用地面大型射電天線建立“深空測控網”，為遙遠的飛行器提供導航服務，但其提供的導航精度會隨着與地球距離的增加而變差，因此不依賴地面設備的航天器“自主導航”技術受到越來越多的關注。

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

脈衝星導航的基本原理是：雖然脈衝星發出的兩個相鄰脈衝的時間間隔（或稱為脈衝週期）是恆定的，但如果航天器朝向脈衝星運動，接收到的脈衝間隔會縮短，反之，則會變長，觀測得到的脈衝輪廓也隨之發生變化；脈衝到達X射線探測器的精確時間則由探測器相對於脈衝星的距離、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）脈衝星脈衝信號的特性，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）。

脈衝星距離地球十分遙遠（幾百、幾千光年乃至更遠），不必擔心其受到人為影響，脈衝星導航的精度也不隨航天器所處位置而改變，可作為深空中的理想導航手段。因此，X射線脈衝星導航在近年來得到越來越多的關注。2004年，歐空局發佈了“基於脈衝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發佈新聞，宣佈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衝星自主導航試驗1，在觀測脈衝星7.5小時後，自主導航的精度達到5千米（均方根或1倍標準偏差）。

我國在脈衝星導航方面也進行了大量理論和實驗研究。鄭世界説：“ 2016年9月，中國天宮二號空間試驗室發射升空，我們利用天宮二號上的 “天極望遠鏡”——伽瑪射線暴偏振探測器（POLAR）成功完成了脈衝星導航的國內首次空間實驗，11月，中國還發射了脈衝星試驗星XPNAV-01，開始開展脈衝星探測及相關研究”。

慧眼衞星首席科學家張雙南介紹了慧眼衞星這次開展脈衝星導航實驗的情況：“

2017年8月31日至9月5日，慧眼衞星對著名的蟹狀星雲脈衝星進行了持續約5天的觀測，以試驗對衞星自主定位。自主定位的算法是高能所的研究團隊於2016年提出的一種新的X射線脈衝星導航算法——‘脈衝輪廓顯著性與衞星軌道的關聯分析’，該算法的可行性已在POLAR實驗上得到初步驗證”。這一次，他們對該算法做了進一步改進，並將該導航算法分別應用到慧眼衞星上3種望遠鏡的觀測數據，結果顯示，均可實現慧眼的自主定位；如果綜合利用所有望遠鏡5天的觀測數據，其定位精度可以達到10公里（3倍標準偏差），相當於定位精度3.3公里（1倍標準偏差），説明慧眼的脈衝星導航實驗的精度和NICER/SEXTANT的結果相當。

為了進一步檢驗該導航算法的可行性與可靠性，研究團隊還進行了充分的理論分析，並選取多種類型的脈衝星進行了模擬驗證，結果顯示該方法對其它導航脈衝星同樣適用，為該算法的實際應用奠定了基礎。基於慧眼衞星的脈衝星導航實驗結果在2018年9月投稿到美國《天體物理雜誌》（增刊），並於2019年6月11日被正式接受，審稿人認為

“慧眼衞星開展的在軌演示驗證是對脈衝星導航發展的重要貢獻”，“特別地，文章最後的模擬分析部分從數學上驗證了該方法的可行性。……相信這是對脈衝星導航的非常好的貢獻”。

慧眼衞星是我國第一顆X射線天文衞星，由國家民用航天和中科院空間科學先導專項（I期）共同支持，於2017年6月15日發射，設計壽命4年。目前，衞星平台及各有效載荷在軌運行正常、技術狀態穩定。該項研究得到了國家重點研發計劃項目（編號2016YFA0400800）和國家自然科學基金聯合基金項目（編號U1838101,U1838201,U1838202）等的支持。

更多詳情請閲讀原文：

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) 基於天宮二號POLAR的脈衝星導航實驗，中國科學：物理學、力學、天文