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天宮二號空間實驗室完成中國首次X射線脈沖星導航空間實驗

摘要  利用我國載人航天天宮二號空間實驗室上的伽瑪射線暴偏振探測器(POLAR)對蟹狀星云脈沖星1個月的探測數據, 安徽快三高能物理研究所和空間應用中心的研究人員完成了我國首次脈沖星導航空間實驗, 實現了對天宮二號的定軌, 學術論文已在《中國科學: 物理學力學天文學》第9期正式發表。該團隊提出了利用Crab觀測脈沖輪廓隨衛星軌道變化的特性進行脈沖星導航的新方法, 通過建立天宮二號的軌道動力學模型, 實現了對天宮二號的定軌, 從而驗證了所提出的方法的正確性和脈沖星導航的可行性。

越來越多的人造衛星、宇宙飛船等航天器將在太陽系內乃至恒星際間進行深空旅行, 此時GPS衛星已無法為它們提供導航服務。依賴于無線電的導航技術(如美國建立的深空測控網等)的導航精度會隨著與地球距離的增加而變差, 而利用拍攝天體照片的光學導航的使用范圍也受到多種因素的影響。X射線脈沖星導航技術是一項新型的自主導航方法, 它利用宇宙中遙遠的天體——脈沖星發出的脈沖信號對太空中的航天器提供導航和授時服務。脈沖星時間信號的長期時間穩定度很高, 可與地球上的原子鐘相媲美, 可以作為宇宙中的時間基準, 因此脈沖星也被稱作宇宙燈塔”, “星際旅行中天然的GPS衛星; 同時, 脈沖星距離我們非常遙遠均在數百光年以上, 不受近地環境的影響可以滿足航天任務在不同軌道下的持續高精度導航需求。

目前已發現的脈沖星超過2000, 通常認為它們是一類高速轉動的中子星, 質量大約是1.4倍太陽質量, 轉動周期從毫秒到數十秒不等。圖1是脈沖星的示意圖, 它具有很強的磁場(通常磁場強度在106-109特斯拉), 其磁軸與轉動軸有一定的夾角。脈沖星的一部分轉動能量會在兩個磁極附近以電磁波形式輻射出來, 當輻射的方向指向地球時就可以被我們探測到。不同脈沖星由于其轉動周期不同,輻射區幾何性質各異探測得到的脈沖形狀(即脈沖輪廓)也各不相同

  

1  脈沖星示意圖(圖片來自網絡)

    太空中的航天器通過對多顆脈沖星的實時探測, 可以實現自主導航如圖2所示。對于同一顆脈沖星, 由于太陽系質心與脈沖星之間的相對運動速度恒定不變, 因此每一個脈沖達到太陽系質心的間隔都是恒定的, 其脈沖輪廓也不變稱為標準輪廓。當航天器處于太陽系質心坐標系中不同位置時, 同一個脈沖達到航天器和到達太陽系質心的時間會不一樣; 如果航天器朝向脈沖星運動脈沖間隔會縮短, 反之則會變長, 觀測得到的脈沖輪廓也隨之發生變化。通過分析航天器接收到的(不同方向)脈沖星脈沖信號的特點, 就可以得到航天器在太陽系質心坐標系之中的三維位置(或運動軌道)

2  太空中飛行器實現脈沖星導航示意圖()以及航天器在太陽系中運動時與脈沖星的幾何關系()(圖片來自網絡)

 

3  左圖:天宮二號, 其中紅色五角星是POLAR所在位置; 右圖:POLAR實物圖

    目前, POLAR除了探測到數十個伽瑪暴事例外還探測到了大量脈沖星信號, 其中來自蟹狀星云脈沖星(Crab脈沖星)的脈沖光子總量達到2千萬以上。Crab脈沖星是宇宙中最著名的天體之一, 它誕生于公元1054年的一次超新星爆發, 該爆發被我們的祖先詳細地記錄在《宋史·天文志》中。它的自轉周期約33毫秒(每秒鐘轉動約30), X射線及軟γ射線波段輻射流強高、自轉周期在短時標尺度上相對比較穩定, X射線脈沖星導航中重要的導航星之一。圖4左是哈勃望遠鏡觀測得到的Crab星云(Crab脈沖星位于星云內部), 右是POLAR觀測得到的Crab脈沖星的脈沖輪廓, 具有清晰的雙峰結構。

4  左圖:Crab星云(圖片來自哈勃官網), 右圖:POLARCrab脈沖星的觀測結果

    安徽快三高能物理研究所和空間應用中心的研究人員利用POLAR 1個月的探測數據, 開展了脈沖星導航實驗。該團隊提出了利用Crab觀測脈沖輪廓隨衛星軌道變化的特性進行脈沖星導航的新方法, 通過建立天宮二號的軌道動力學模型, 實現了對天宮二號的定軌從而驗證了所提出的方法的正確性和脈沖星導航的可行性。圖5分別給出了脈沖輪廓顯著性隨6個軌道參數(包括軌道半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經、近地點輻角、平近地點角)變化的曲線, 從中可得到6個軌道參數的最優解。與天宮二號的實際軌道數據進行比對, 得到其位置誤差約10 km, 和理論預期一致。該團隊將充分利用已有觀測數據和即將發射的硬X射線調制望遠鏡(HXMT)X射線衛星的新數據研究Crab等脈沖星的計時特征進一步理解脈沖星導航的基礎科學問題和關鍵技術問題, 探索如何進一步提高脈沖星導航精度以期最終獲得具有實用價值的脈沖星導航技術。

5  脈沖輪廓顯著性χ2隨軌道參數偏移量的變化結果。

藍色點為不同參數的計算結果, 紅色為最優值擬合結果, 0值點為實際軌道根數值。

其中(a)半長軸, (b)為偏心率, (c)為軌道傾角, (d)為升交點赤經, (e)為近地點幅角, (f)為平近地點角。

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