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星海航船的“灯塔”——X射线脉冲星导航技术有何军事意义?

2019-09-23    来源:科普中国-军事科技前沿

  出品:科普中国

  作者:兰顺正

  策划:宋雅娟

  监制:光明网科普事业部

  据相关媒体近日报道,中国科学院高能物理研究所研究团队利用慧眼卫星开展了X射线脉冲星导航实验,定位精度达到10公里之内(3倍标准偏差),进一步验证了航天器利用脉冲星自主导航的可行性,为未来在深空的实际应用奠定了基础。据悉,“慧眼”X射线天文卫星于2017年6月在酒泉卫星发射中心成功发射,运行于高度550 千米、倾角43°的近地圆轨道上。该卫星携带了高能X射线望远镜、中能X射线望远镜和低能X射线望远镜三种科学载荷和空间环境监测器。无疑,此次脉冲星自主导航技术的可行性得到验证,对于未来的空间军事利用将具有重大的意义。

  卫星的“风筝线”必须抓牢

  

  太空中的卫星需要地面站的支持

  众所周知,绝大多数的航天器虽然“远在天边”,但是依旧离不开地面的指挥与控制,就像风筝飞得再高,线还是连着地面一样。以美国GPS导航系统为例,该系统能够为地球表面和近地空间用户提供全天候、全天时、高精度导航信息服务,但是这些“路标”自身却也并不一直准确,在缺乏外界帮助的情况下,该系统不能修正星座整体旋转误差、地球自转非均匀误差和极移残差,误差随时间不断累积,致使星座难于长时间自主运行。因此导航星座本身也需要地面控制系统不断注入信息支持,不能脱离地面信息而独立运行。因此各航天大国为了使自己的太空设施能够正常运转,就不得不在全球范围内设置多个地面控制站或远洋测量船。

  随着人类开始逐步进入太空时代,太空的重要性已被世界各国广泛认可,因此未来在太空爆发军事冲突的可能性也在不断加大。各种空间战理论也应运而生,这其中如何在战时切断敌方地面站与其空间设施的联系,使敌方空间资产变成“无头苍蝇”也是各方研究的重点之一。目前来说,要达到这样的目的主要有

  电子干扰、网络攻击、武力破坏或摧毁敌地面站等手段。

  脉冲星导航在太空安“路标”

  而X射线脉冲星导航这种设想一旦实现,则意味着未来的航天器能够实现自主导航。

  这里介绍一下脉冲星导航原理。脉冲星是大质量恒星演化、塌缩、超新星爆发的遗迹,是一种具有超高温、超高压、超高密度、超强磁场、超强电场和超强引力场等极端物理条件的天体。脉冲星属于高速自转的中子星,其自转轴与磁极轴之间有一个夹角,两个磁极各有一个辐射波束。当星体自转且磁极波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时,探测设备就能接收到一个脉冲信号。脉冲星自转周期范围一般为1.6毫秒~8.5秒,具有极其稳定的周期,尤其是毫秒脉冲星的自转周期变化率达到10的负19次方~10的负21次方,被誉为自然界最精准的天文时钟。

  

  脉冲星被誉为自然界最精准的天文时钟

  脉冲星会在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等电磁波频段产生信号辐射,其中把在X射线频段上辐射信号的脉冲星叫做X射线脉冲星。X射线属于高能光子,集中了脉冲星绝大部分能量,易于小型化设备探测与处理,但难于穿过地球稠密大气层,只能在地球大气层外空间观测到。而X射线脉冲星导航是在航天器上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,测量光子到达时间和提取脉冲星影像信息,经过相应的信号和数据处理,以帮助航天器自主确定轨道、时间和姿态等导航参数。

  虽然如上文所述,X射线难以穿透稠密大气层,所以脉冲星导航系统只能应用在外空系统上,但即使如此对于航天领域也会产生重要影响。

  不难想象,如果未来的航天器能够实现自主导航,一方面将有效地减轻地面测控系统的工作负担,减少测控站的布设数量和地面站至卫星的信息注入次数,降低整个空间系统建设和长期运行维持费用。另一方面则可以大为减少航天器对地面控制系统的依赖,一旦在战时己方地面站被敌方破坏或者天地通信受到干扰,航天器本身也不会立刻“掉线”,从而增强了系统的自主生存能力,提高己方空间设施的战时“顽存率”,这样不但可以防止在地面站失联以后己方空间力量被过度削弱,也便于迅速恢复受损系统。

  据悉,此次的中国研究团队在利用慧眼卫星开展了X射线脉冲星导航实验的同时,为了进一步检验该导航算法的可行性与可靠性,还进行了充分的理论分析,并选取多种类型的脉冲星进行了模拟验证,结果显示该方法对其它导航脉冲星同样适用,为该算法的实际应用奠定了基础。综上,X射线脉冲星导航技术将有助于中国未来更好的维护自身空间权益。