航天器导航使用来自死星的 X 射线

图片来源:X 射线:NASA/CXC/阿姆斯特丹大学/N.Rea 等; 光学:DSS

被称为脉冲星的坍缩中子星的残余物带有磁性,并且自转从每秒一转到每秒数百转不等。 这些天体,每个直径 12 到 15 英里,产生 X 射线波长范围内的光。 伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究人员开发了一种新方式,航天器可以使用来自多个脉冲星的信号在深空导航。

“我们可以使用恒星追踪器来确定航天器指向的方向,但要了解航天器的精确位置,我们依赖于航天器与地球之间发送的无线电信号,这可能需要大量时间并且需要使用超额订阅像 NASA 的深空网络这样的基础设施,”伊利诺伊州航空航天工程系教授 Zach Putnam 说。

“使用 X 射线导航消除了这两个因素,但直到现在,需要对航天器的初始位置估计作为起点。这项研究提出了一个系统,可以在没有先验信息的情况下找到可能的航天器位置的候选者,因此航天器可以自主导航。”

“此外,我们用于深空任务的地面通信系统现在已经超载,”他说。 “这个系统将赋予航天器自主权并减少对地面的依赖。X 射线脉冲星导航让我们绕过它,让我们无需打电话就能确定我们在哪里。”

普特南说,因为我们的大气层过滤掉了所有的 X 射线,所以你必须在太空中才能观察到它们。 脉冲星发出看起来像脉冲的电磁辐射,因为每次脉冲星旋转并指向我们时,我们都会测量 X 射线信号中的峰值——就像从灯塔上的信标投射的光线一样。

“每个脉冲星都有自己的特征信号,就像指纹一样,”他说。 “我们记录了 2000 颗左右脉冲星的 X 射线随时间的变化,以及它们随时间的变化情况。”

与全球定位系统非常相似,可以通过三个信号的交集来确定位置。

“脉冲星的问题在于它们旋转得如此之快,以至于信号会重复很多次,”他说。 “相比之下,GPS 每两周重复一次。对于脉冲星,虽然有无数可能的航天器位置,但我们知道这些候选位置之间的距离有多远。


三个脉冲星的带状区域在 3D 中的交点。 图片来源:伊利诺伊大学航空航天工程系

“我们正在研究确定航天器在直径为多个天文单位数量级的域内的位置,比如木星轨道的大小——就像一个边上有十亿英里的正方形。我们试图解决的挑战是,我们怎样在不使用过多计算资源的情况下智能地观察脉冲星并完全确定域中所有可能的航天器位置,”普特南说。

由研究生 Kevin Lohan 开发的算法结合了来自众多脉冲星的观测,以确定航天器的所有可能位置。 该算法处理二维或三维的所有候选交叉点。

“我们使用该算法来研究我们应该观察哪些脉冲星,以减少给定域内候选航天器位置的数量,”普特南说。 结果表明,观察具有较长周期和小角度间隔的脉冲星集可以显着减少给定域内候选解的数量。

该研究发表在 IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 上。