越来越多的人造卫星、宇宙飞船等航天器将在太阳系内乃至恒星际间进行深空旅行, 此时GPS卫星已无法为它们提供导航服务。依赖于无线电的导航技术(如美国建立的深空测控网等)的导航精度会随着与地球距离的增加而变差, 而利用拍摄天体照片的光学导航的使用范围也受到多种因素的影响。X射线脉冲星导航技术是一项新型的自主导航方法, 它利用宇宙中遥远的天体——脉冲星发出的脉冲信号对太空中的航天器提供导航和授时服务。脉冲星时间信号的长期时间稳定度很高, 可与地球上的原子钟相媲美, 可以作为宇宙中的时间基准, 因此脉冲星也被称作“宇宙灯塔”, “星际旅行中天然的GPS卫星”等; 同时, 脉冲星距离我们非常遥远, 均在数百光年以上, 不受近地环境的影响, 可以满足航天任务在不同轨道下的持续高精度导航需求。
目前已发现的脉冲星超过2000颗, 通常认为它们是一类高速转动的中子星, 质量大约是1.4倍太阳质量, 转动周期从毫秒到数十秒不等。图1是脉冲星的示意图, 它具有很强的磁场(通常磁场强度在106-109特斯拉), 其磁轴与转动轴有一定的夹角。脉冲星的一部分转动能量会在两个磁极附近以电磁波形式辐射出来, 当辐射的方向指向地球时就可以被我们探测到。不同脉冲星由于其转动周期不同,辐射区几何性质各异, 探测得到的脉冲形状(即脉冲轮廓)也各不相同。
图1 脉冲星示意图(图片来自网络)
太空中的航天器通过对多颗脉冲星的实时探测, 可以实现自主导航, 如图2所示。对于同一颗脉冲星, 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, 其脉冲轮廓也不变, 称为”标准轮廓”。当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运动, 脉冲间隔会缩短, 反之, 则会变长, 观测得到的脉冲轮廓也随之发生变化。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)。
图2 太空中飞行器实现脉冲星导航示意图(左)以及航天器在太阳系中运动时与脉冲星的几何关系(右)。(图片来自网络)
图3 左图：天宫二号, 其中红色五角星是POLAR所在位置; 右图：POLAR实物图
目前, POLAR除了探测到数十个伽玛暴事例外, 还探测到了大量脉冲星信号, 其中来自蟹状星云脉冲星(即Crab脉冲星)的脉冲光子总量达到2千万以上。Crab脉冲星是宇宙中最著名的天体之一, 它诞生于公元1054年的一次超新星爆发, 该爆发被我们的祖先详细地记录在《宋史·天文志》中。它的自转周期约33毫秒(每秒钟转动约30次), 在X射线及软γ射线波段辐射流强高、自转周期在短时标尺度上相对比较稳定, 是X射线脉冲星导航中重要的导航星之一。图4左是哈勃望远镜观测得到的Crab星云(Crab脉冲星位于星云内部), 右是POLAR观测得到的Crab脉冲星的脉冲轮廓, 具有清晰的双峰结构。
图4 左图：Crab星云(图片来自哈勃官网), 右图：POLAR对Crab脉冲星的观测结果
中国科学院高能物理研究所和空间应用中心的研究人员利用POLAR 1个月的探测数据, 开展了脉冲星导航实验。该团队提出了利用Crab观测脉冲轮廓随卫星轨道变化的特性进行脉冲星导航的新方法, 通过建立天宫二号的轨道动力学模型, 实现了对天宫二号的定轨, 从而验证了所提出的方法的正确性和脉冲星导航的可行性。图5分别给出了脉冲轮廓显著性随6个轨道参数(包括轨道半长轴、偏心率、轨道倾角、升交点赤经、近地点辐角、平近地点角)变化的曲线, 从中可得到6个轨道参数的最优解。与天宫二号的实际轨道数据进行比对, 得到其位置误差约10 km, 和理论预期一致。该团队将充分利用已有观测数据和即将发射的硬X射线调制望远镜(HXMT)等X射线卫星的新数据, 研究Crab等脉冲星的计时特征, 进一步理解脉冲星导航的基础科学问题和关键技术问题, 探索如何进一步提高脉冲星导航精度, 以期最终获得具有实用价值的脉冲星导航技术。
图5 脉冲轮廓显著性χ2随轨道参数偏移量的变化结果。
蓝色点为不同参数的计算结果, 红色为最优值拟合结果, 0值点为实际轨道根数值。
其中(a)半长轴, (b)为偏心率, (c)为轨道倾角, (d)为升交点赤经, (e)为近地点幅角, (f)为平近地点角。
