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X-射线脉冲星导航:前世今生和争论焦点 精选

已有 5050 次阅读 2017-3-1 02:04 |系统分类:科普集锦|关键词:style,title| style, title

      脉冲星一般被认为是带有强磁场高速旋转的中子星。由于自转轴和磁轴不重合,由磁极发出的粒子流对于观测者来说是一个周期性信号。由于脉冲星自转极为稳定,故该信号的频率极为稳定,个别脉冲星的长期稳定度可达10^-18s量级。

1 导航X-射线脉冲星

   脉冲星信号在多个信号窗口都可以探测到,如射电波段(VLBI)。X-射线脉冲星(图一)是最良好的导航信号辐射源。其原因是,对于射电波段,为了提高探测灵敏度,需要使用巨大的接收天线,这类天线一般直径大于20 m(VLBI天线),这对载荷有限的深空探测器是不可想象的;对于γ射线波段,目前天线技术不成熟。只有X-射线脉冲星需要的接收天线可以小型化,面积可以小于1m。

   X-射线脉冲星信号的激发有三种:吸积供能脉冲、磁星和旋转供能脉冲星。由于前两种的信号含有非常大的跳变(能量供应强烈而不稳定)。只有旋转供能X-射线脉冲星适合导航使用。但是,该类型脉冲星往往是濒临死亡的中子星,故信号流量较弱。这增加了天线设计难度:根据NASA GSFC地面仿真结果——较强流量信号源(crab脉冲星)只需要100 cm^2 的天线就可以完成导航任务,然而对于一些流量较弱的信号源,理论天线面积需要700 m^2。另外,这些脉冲星大部分都在银河系平面上(图2),因此,几何分布十分不利。因而,寻找可用于导航的X-射线脉冲星,特别是自转稳定的毫秒脉冲星,建立X-射线脉冲星导航数据库,是该项技术应着重研究的。


2 导航X-射线脉冲星在天球上的分布。观看方向分别为正面、背面、北极和南极。

       既然X-射线脉冲星的信号周期极为稳定,那么,该信号到达某一惯性参考点的频率和相位可以通过数学公式精确表达,该公式中的参数可以通过预先观测导航数据库选定的脉冲星信号源来测定。也即,任何脉冲星到达这个参考点的信号是可准确预测的。这个在固定参考点(一般为太阳系质心SSB)事先构建好的信号数据库,是为模板信号。

   目前提出的导航观测量获取方式为两种:1)飞船上接收到的光子信号,利用原子钟打上时间标记,使用飞船概略位置和速度,将时间系统统一为坐标时系统(一般为太阳质心动力学时TDB或质心坐标时TCB,然后与模板信号作比较,得到相位延迟量,进而得到时间延迟观测量。那么观测量和导航参数的关系如公式(1):

3  X-射线脉冲星导航构型和时延观测量意义

                             (1)

式子中,r项就是飞船位置(未知项,其余均已知)。式右第二项表示各种时间改正量。这种观测量构建方式有一个重大缺点:一个周期内的光子信号流量非常弱,需要将多个周期的信号折叠,以形成一个稳定茁壮的信号,该折叠需要花费的时间按照脉冲流量强弱可以在几分钟至几十分钟甚至一两个小时内完成。因而,信号是不连续的。2)另一种导航观测量通过数字锁相环路跟踪到达飞船信号的相位,计算出飞船引起的多普勒频移,而后得出飞船速度,积分得到飞船位置。该方法得到的观测量是连续的,因其不需要与模板相比较。但该方法存在的一个问题是,一旦信号失锁,存在整周跳变现象,对于位置的精度影响非常大。

   自从X-射线脉冲星导航这个概念在1974年被NASA的Downs博士提出以后,历经40年的基础研究,到近年来逐步有了实现的可能。按照现有硬件水平,计算机仿真结果表明,该技术在深空中(如地火转移轨道)的导航精度可达5km之内[Liu et al.,2017]。NASA 的脉冲星导航计划SEXTANT的地面设备仿真认为,目前导航精度可达10km之内是轻而易举的。

   目前热闹的是:中国抢先在SEXTANT发射之前,先发射了自己的导航验证系统(XPNAV 已经于去年年末发射,SEXTANT 近期才发射)。去年,各路大神就此问题展开了激烈的讨论。在我看来,正方大神戳中了反方导航概念不清楚的痛点,而反方大神,确实,也戳中了正方的痛点——我国的硬件有可能不过关,即无法从宇宙X-射线背景中提取出观测信号。而目前为止,XPNAV似乎还没有进一步的消息。而SEXTANT已发射,究竟哪个国家会成为这个星球上率先实现这一导航技术的国家,拭目以待。

   一旦验证原型成功,那么从10km到百米级别的导航精度进步,则就变成了一个纯粹技术问题。甚至导航精度全太阳系内外达到10m,也是有可能的。






参考文献:

https://www.researchgate.net/publication/313408243_Mars_Cruise_Orbit_Determination_from_Combined_Optical_Celestial_Techniques_and_X-ray_Pulsars

https://www.nasa.gov/nicer

https://www.researchgate.net/publication/305649878_Performance_of_NICER_flight_x-ray_concentrator


 







         



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