使用 Pulsar Navigation 穿越太阳系

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的一组研究人员已经找到了一种方法,让穿越太阳系的旅行者无需地球上地面观测者的帮助就可以准确计算出他们所在的位置。 他们改进了脉冲星导航技术,该技术使用来自遥远脉冲星的 X 射线信号,其方式类似于 GPS 使用来自专门卫星星座的信号来计算精确位置。

在空间中导航

在您可以在空间中导航课程之前,您需要知道您的位置和方向。 目前的航天器只能独立发现其中之一。 它可以相当容易地找到它的方向,或者航天器指向的方向。 车载摄像头可以搜索明亮的星星或太阳,并将它们作为参考。

但是位置是一个更难解决的问题。 在地球上,甚至在低地球轨道 (LEO) 中,您可以测量到附近参考点的距离,然后参考地图。 但这在地标太远无法测量的深空中不起作用。 相反,地球上的跟踪站网络监控来自航天器的无线电信号。 他们通过测量时间延迟来计算它的距离,并将其与信号到达的方向相结合,以准确计算其在空间中的位置。 然后,地面站可以将此信息传输到任务控制中心或航天器本身。

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问题

“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。

这个标准的、久经考验的系统可以工作,但需要权衡取舍。 随着活跃太空任务数量的增加,对通信基础设施的访问变得越来越有争议。 随着我们将航天器进一步送入太空,信号往返时间将变得更长。 这意味着导航测量将花费越来越多的时间来完成。 未来的太空任务,无论是载人还是其他,最终都需要能够在没有地球指导的情况下自行导航。 幸运的是, 基于 X 射线脉冲星的导航 (XNAV),它的工作原理与 GPS 相似,可能是答案。

脉冲星导航

脉冲星是快速旋转的中子星; 在超新星爆炸中死亡的恒星的最后残骸。 凭借其快速的自转和强大的磁场,它们产生强大的辐射束,席卷整个天空。 单个脉冲星以不同的速度旋转,从每秒数次慢到每秒数百转。 每个脉冲星都有一个独特的特征,即使是非常简单的无线电接收器也可以识别它们。

ESO 天文学家 Jean-Baptiste Le Bouquin 演示了波前怎样与建设性和破坏性干涉节点相互作用。 这张照片是由 Max Alexander 拍摄的。 版权所有 ESO/M。  Alexander, CC BY 4.0 https://creativecommons.org/licenses/by/4.0,来自维基共享资源
ESO 天文学家 Jean-Baptiste Le Bouquin 演示了波前怎样与建设性和破坏性干涉节点相互作用。 这张照片是由 Max Alexander 拍摄的。 版权所有 ESO/M。 亚历山大, 抄送 4.0,通过维基共享资源

普特南和他的团队找到了一种更有效地检测和处理脉冲星信号的方法。 这使航天器可以使用小型天线和简单的接收器来检测多个脉冲星的 X 射线发射。 由于这些信号非常一致且可预测,因此接收器可以准确计算给定脉冲何时到达太阳系中的任何给定位置。 当每个脉冲穿过空间时,它会形成一个“波前”——一个弯曲的空间区域,标记该特定脉冲刚刚到达的所有位置。

该波前类似于穿过池塘表面的波浪。 但是,如果有两个波浪在同一个池塘中传播,则会得到可见的节点。 这些节点标记了不同波前相交的地方。 来自两个脉冲星的 X 射线脉冲相互作用的空间区域形成了类似的节点模式。 您添加的额外脉冲星越多,这些节点就越稀有,直到您可以准确地将您在太阳系中的位置精确定位到最近的 5 公里范围内。

解决方案

Putnam 和他的团队所做的工作主要集中在预测已知脉冲星的波前怎样在任何给定位置相互作用所需的计算算法上。 他们的目标是找到以最少的计算能力进行这些计算的最有效方法。

“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。

根据他们的工作,当使用来自具有低角分离的脉冲星的信号时发现最好的结果——脉冲星似乎是 close 一起在天空中——而且脉搏更慢。 他们还证实,添加更多脉冲星可以提高精度。 这比试图提高信号质量更容易,因此未来的航天器将能够使用 XNAV 和更便宜、更简单的无线电接收设备。

归因

你可以 在他们的研究中阅读更多内容,“X 射线脉冲星导航候选解决方案的表征”。 这篇论文发表在 IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 上。