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射电脉冲星导航

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脉冲星辐射机制的灯塔模型

  看太阳东升西落,望星辰布列夜空,这是文明开启以来就出现的天文定向导航方法,其简便易行不言而喻。天体能够定位导航的常识启迪了当代人的创造思维,于是在上世纪后期利用人造卫星构成的环绕地球的星座,创设了全球定位系统(GPS)。环绕地球轨道的GPS定位系统能够为战车、战舰、战机、远程兵器等提供全天候、全天时、高精度导航定位信息服务。随着未来太空战场的形成,必然出现在高地球轨道和星际飞行的航天器。我们知道,以地球用户为服务对象的GPS星座,对于远离地球在太阳系或银河系飞行的航天器是难以提供有效导航服务的。于是,科学家开始寻找能够为星际航天器导航的天体。1967年,英国剑桥大学的科学家发现了首颗射电脉冲星及其导航潜能。从此,科学家以前瞻的眼光与极大的热情,开始了射电脉冲星导航的理论与方法的研究。

  射电脉冲星

  射电脉冲星是高速旋转的中子星。中子星是一种几乎由中子构成的天体,是大质量恒星演化、坍缩的结果,是超新星爆发的遗迹,是一种具有超高密度、超高温度、超强磁场、超强辐射和超强引力场的天体。一颗半径10公里的中子星的质量与太阳相当,其核心密度达到了地球人难以置信的程度,每立方厘米质量竟然达10亿吨。

  半个世纪以来,科学家陆续发现了多颗射电脉冲星。目前发现和编目的脉冲星已达到2000多颗。这些脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、x射线和γ射线频谱段具有脉冲辐射性能。其中,十多颗脉冲星具有良好的x射线周期性辐射特性,具有可为星际航天器定位导航的潜能。X射线脉冲星自转周期范围从几毫秒到10余秒,周期稳定性极好,毫秒级脉冲星被誉为自然界最稳定的时钟。脉冲星的两个磁极各有一个辐射波束,根据星体自转情况,周期性地向航天器上的探测设备发射脉冲信号,从而为那些星际旅行的航天器指引方向。可以说,脉冲星犹如太空之海永不熄灭的灯塔,是天造地设的导航标识。

  射电脉冲星导航

  我们知道,用户同时接收三颗及三颗以上的GPS卫星信号,就能推算出测量地点的三维坐标。同理,星际航天器搭载的射线探测器在某一时刻同时接收来自三颗以上的射电脉冲星信号,就能推算出相关定位信息,达到实时导航的目的。GPS信号容易受到人为的干扰而失真,GPS星座还可能被摧毁,因此,GPS在未来太空战争中的作用具有局限性。而射电脉冲星信号有更强的抗干扰能力,人们也无法摧毁射电脉冲星,这是射电脉冲星定位导航的优势所在。

  利用脉冲星导航定位需要解决两大方面的问题。一是要测定用于定位的脉冲星星座。首先要寻找适合用来定位的射电脉冲星,目前已找到十多颗。进而探测它们的物理特征,测定它们在太阳系质心坐标系中的坐标,设计相应的计时模型和测算模型,编制射电脉冲星定位星座目录。二是要制造高水平射线探测器。射线探测器由射线成像仪和光子记数器组成,用于探测和接收来自射电脉冲星的信号。由于射电脉冲星的脉冲信号非常微弱,需要极高灵敏度、极快的响应时间。航天器上搭载的射线探测器要能够及时捕获射电脉冲信号,为测算航天器飞行轨道、位置、姿态等提供数据。

  射电脉冲星在导航方面的潜能吸引着科学家们前赴后继的探索。1971年,美国科学家描述了使用射电脉冲星作为时钟的设想。1974年,美国科学家首次提出航天器利用射电脉冲星自主确定轨道的方法。该方法要求射电望远镜口径为20米,24小时接收信号,定轨精度约为150公里。尽管这种自主定轨方法暂时难以在工程上实现,但是利用脉冲星为航天器导航的创新思路具有革命性意义。1981年,美国通信系统研究所的科学家提出利用x射线脉冲星为星际飞行器导航的构想,设计了口径较小的探测器,减少了处理脉冲信号必需的时间,从理论到方法上证明了射电脉冲星导航的可行性。

  开发前景广阔

  在当代信息化战争中,夺取制信息权是赢得战争的关键。美军在科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争中,成功地利用GPS为现代兵器提供实时的导航定位信息,实施了令世人刮目相看的精确打击。可以说GPS成为美军赢得战争胜利的杀手锏。但是,GPS也有“死穴”,其信号容易受到人为的干扰,而出现误导。面对这种情况,美军一方面改进GPS的性能,提高抗干扰的能力,另一方面,致力于射电脉冲星导航的研究与开发,并将该计划纳入美国国防部长期发展战略规划纲要。

  2004年初,美国国防部高级研究项目局提出了《基于x射线源的自主导航定位验证》的预研计划。2004年8月,美国宇航局和海军天文台等多家单位拟定和启动了脉冲星导航的研究计划。脉冲星导航研究尚处于预研阶段,还面临一系列工程技术问题需要解决,美国凭借在卫星导航领域的技术优势,在工程开发方面取得阶段性突破是可以期待的。而且,属于基础性、前瞻性和战略性研究的射电脉冲星导航的潜在价值,将成为该项研究深入开展的强大推动力。

  毫无疑问,射电脉冲星导航定位将带来太空飞行器位置、姿态和时间测定的一场新的革命。未来日益增长的高地球轨道飞行和星际飞行的导航任务将可能依托射电脉冲星导航系统来完成。在近地轨道导航领域,射电脉冲星定位将成为GPS的备份与补充。应该相信,随着对射电脉冲星定位的深入研究与开发,在未来太空战争中,太空兵器依托射电脉冲星定位系统获得自主导航能力的前景是十分广阔的。(王晓迪 田笛2008.7.1)

  

  

射电脉冲星导航原理示意图

  

  

  


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