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美尝试把脉冲星变为,银河定位系统

2019-05-06 15:46

问题:NASA全新“银河定位系统”对探索太空有何意义?

美尝试把脉冲星变为“GPS” 实验表明宇宙飞船可利用脉冲星信号在深空中航行

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回答:

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快速旋转的脉冲星发出强大的辐射光束。图片来源:DanaBerry/NASA

美国宇航局(NASA)的科学家们利用脉冲星的完美“定时”X射线闪光建造了一个“银河定位系统”,其工作方式与全球范围内的全球定位系统非常相似。NASA将派出一艘无人航天器,以类似于用步枪指着天空和发射子弹的方式拍摄遥远的行星或月球。

快速旋转的脉冲星发出强大的辐射光束。图片来源:Dana Berry/NASA

从国际空间站的高度来看,美国宇航局的一项实验展示了未来的空间探测任务如何在深空中导航。宇宙飞船可以通过一种位于天上的“全球定位系统”来确定自己的位置,即由遥远的死亡恒星发射出的信号。

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本报讯 从国际空间站的高度来看,美国宇航局的一项实验展示了未来的空间探测任务如何在深空中导航。宇宙飞船可以通过一种位于天上的“全球定位系统”来确定自己的位置,即由遥远的死亡恒星发射出的信号。

去年11月,中子星内部构成探测器花了一天半的时间观察了少量脉冲星。后者是一种快速旋转的恒星残骸,它们在旋转时能够释放出强大的辐射束。通过测量脉冲到达时间的微小变化,NICER可以实现精度达5公里之内的定位。

该“射弹”穿过太空并在从安全距离放大目标时拍摄照片。它可以被引导到一个相对较小的程度,但通常远没有接近大多数航天器进入绕着遥远月球的轨道所需的准确度。科学家们无法进行必要的计算。

去年11月,中子星内部构成探测器花了一天半的时间观察了少量脉冲星。后者是一种快速旋转的恒星残骸,它们在旋转时能够释放出强大的辐射束。通过测量脉冲到达时间的微小变化,NICER可以实现精度达5公里之内的定位。

这是科学家第一次在太空中证明了这项被称为“脉冲星导航”的长期探寻的技术。有朝一日,这种方法可以帮助航天器在没有地球常规指令的情况下自动驾驶。

NASA利用国际空间站上的中子星内部组成探测器望远镜开发了其新方法——银河定位系统 。 它使用这个特殊的望远镜来观察透过太空的雾状辐射。围绕脉冲星'脉冲'的'雾'具有微小的'闪烁',可以根据它们之间的时间量来测量,大约4毫秒。通过比较三个不同脉冲星点的测量值的差异,航天器可以确定其相对位置(它使用第四个来校准其他三个的时间)。

这是科学家第一次在太空中证明了这项被称为“脉冲星导航”的长期探寻的技术。有朝一日,这种方法可以帮助航天器在没有地球常规指令的情况下自动驾驶。

“我们认为这是一件大事。”KeithGendreau说,他是马里兰州绿带市NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家,也是该任务的项目负责人。“这是将我们的天体物理学应用到包括太阳系外层空间乃至太阳系外的探索目标的一个很好的方法。”

美国宇航局科学家Zaven Arzoumanian表示:

“我们认为这是一件大事。”Keith Gendreau说,他是马里兰州绿带市NASA戈达德太空飞行中心的天体物理学家,也是该任务的项目负责人。“这是将我们的天体物理学应用到包括太阳系外层空间乃至太阳系外的探索目标的一个很好的方法。”

Gendreau在1月11日于马里兰州国家港湾召开的美国天文学会的一次会议上报告了这一研究成果。

你可以通过完成一项艰难的工作绕着遥远星球的卫星进入轨道,而不是做一次飞掠。星系定位系统也可以提供一个后备,这样如果一个乘员任务与地球失去联系,他们仍然拥有自主导航系统。

Gendreau在1月11日于马里兰州国家港湾召开的美国天文学会的一次会议上报告了这一研究成果。

据新华社报道,戈达德太空飞行中心最新发布的新闻公报说,该中心利用搭载在国际空间站的NICER,对新型导航系统进行初步测试,实现了精度5公里之内的定位。

这种系统可以使火星载人航天飞行成为现实,甚至为继续探索星系的任务铺平道路。

据报道,戈达德太空飞行中心最新发布的新闻公报说,该中心利用搭载在国际空间站的NICER,对新型导航系统进行初步测试,实现了精度5公里之内的定位。

在卫星定位系统中,在环地轨道上运转的卫星不断向地面发出信号,地面接收装置根据信号确定自己与各卫星的距离,计算出自己的具体位置。只需要来自4颗卫星的信号,就能达到很高的定位精度。

回答:

在卫星定位系统中,在环地轨道上运转的卫星不断向地面发出信号,地面接收装置根据信号确定自己与各卫星的距离,计算出自己的具体位置。只需要来自4颗卫星的信号,就能达到很高的定位精度。

脉冲星是快速旋转的中子星。它们是巨大恒星爆发死亡留下的残骸,是宇宙中密度最高的天体之一。强磁场使中子星的两极喷出带电粒子流,随着中子星的旋转,粒子流像灯塔的光柱一样扫过太空,在观测者看来就像周期性出现的脉冲信号。

首先,银河定位系统从原理上来说是非常非常原始的。

“银河定位系统”这个名字听起来很科幻,好像是人类的最新技术一样,但是实际上这种定位技术早在二战的时候就被广泛应用于飞机的定位了。

这个话就要往回倒几年了。在二战的时候可没有人造卫星,人们手上也只有个指南针,当飞机飞行在海上这种完全没有参考物的地方的时候,实时定位就成了问题。人们也是非常聪明的,想到了一个办法——用无线电。

原理是这样的,现在有两个电台,每个电台都校准好了,同时同步开始喊“1,2,1,2……”,但是无线电波的传递是需要时间的,所以当飞机在不同位置的时候,收到的两个电台的报数一般来说不是同步的,而这其中微小的时间差别乘以光速之后,就是这架飞机距离这两个电台之间的距离差。

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↑距离两点的距离差一定的点构成双曲线↑

只要学过高中数学,就应该知道,跟两点之间距离差一定的点构成双曲线,所以只要知道这个距离差我们就能够确定飞机在这条双曲线上了。但是有人就要问了,我们现在只能够确定飞机在一条曲线上,还是不能精准定位呀!

这太容易了,只要有第三个电台,通过电台两两之间确定的距离差再画一条双曲线,交点就是飞机的位置了——这是不是很巧妙呢?

这就是历史上非常有名的“双曲线导航系统”,最早由英军发明出来的。

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↑双曲线导航系统原理↑

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↑早期的双曲线导航系统接收器↑

脉冲星是快速旋转的中子星。它们是巨大恒星爆发死亡留下的残骸,是宇宙中密度最高的天体之一。强磁场使中子星的两极喷出带电粒子流,随着中子星的旋转,粒子流像灯塔的光柱一样扫过太空,在观测者看来就像周期性出现的脉冲信号。

有些脉冲星的周期为毫秒级别,并且极其稳定、误差很小,堪称精确的宇宙时钟。戈达德太空飞行中心专家说,这些脉冲星发出的X射线可以用于定位和导航。

双曲线导航系统跟银河导航系统有什么关系呢?

这个关系太大了。要知道当人类身处宇宙中的时候,可没有什么卫星导航系统,要确定宇宙飞船在宇宙空间中的位置必须要另外想办法。但是偏偏宇宙非常空旷,根本就没有合适的参照物——而这样的情况,不是跟当年飞行在海洋上的飞机是相同的情况吗?

于是人类又把目光放到了这种古老的导航原理上了。

不过下一个问题来了,宇宙中有这样的不断发射着有规律信号的电台吗?答案是,真的有。而这样的准时而长寿的电台就是宇宙中的“脉冲星”。所谓的脉冲星是中子星的一种,这种行星会飞快地转动并且由于自身携带着较强的磁场,所以一遍旋转一边向外散发着强烈的辐射信号。而且应该注意到,由于旋转的速度一定,所以发出来的辐射信号频率也一定。也正是因为有这种性质,所以脉冲星又被称作宇宙灯塔。

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↑宇宙灯塔——脉冲星↑

所以借助脉冲星,人类就可以实现宇宙飞船在宇宙空间中的定位,而原理就是古老的双曲线导航。所谓的“银河定位系统”就是利用四颗处在宇宙中的脉冲星来给宇宙飞船定位的。

有些脉冲星的周期为毫秒级别,并且极其稳定、误差很小,堪称精确的宇宙时钟。戈达德太空飞行中心专家说,这些脉冲星发出的X射线可以用于定位和导航。

在2017年11月进行的实验中,研究人员选取了4颗毫秒脉冲星,让NICER接收其信号,据此计算自身的位置。为期两天的实验表明,该导航系统可以全自动运作,精度达到了16公里以内的预定目标,最高精度达5公里左右。

为什么要在宇宙中给宇宙飞船定位?

首先我们要知道一点,当卫星远离了地球之后,人与卫星之间的通讯是非常困难的,并且有一个特点,就是人类接收卫星信号容易,而发送指令给卫星就很难——这个也很好理解,因为地球上可以有很大的射电望远镜,而卫星上的天线就那么小的一点点,卫星给地球发信号好比把水从杯子里倒到盆里,而地球给卫星发信号就好比把水从盆里倒到杯子里——显然还是后者难度大一些。

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↑不同的天线大小决定了接收信号的难易程度↑

所以卫星一旦远离地球之后,人类怎么操控就成了问题——因为要把信号传递到卫星上去。但是这个时候人转念一想,其实也不需要操控,只要发射卫星之后给卫星编写个程序,让他在固定的位置拍照、探测之后直接把信号发回地球就好了——这样就不用担心操控的问题了,而且还能省一些电。

于是,这个“银河定位系统”就起到了非常关键的作用。也让人类对于太空的探索更进了一步。

在2017年11月进行的实验中,研究人员选取了4颗毫秒脉冲星,让NICER接收其信号,据此计算自身的位置。为期两天的实验表明,该导航系统可以全自动运作,精度达到了16公里以内的预定目标,最高精度达5公里左右。

研究小组将进一步改良该系统,计划于2018年晚些时候再次进行实验。最终目标是开发出高精度的全自动太空导航设备,使航天器能在长时间不与地球通信的情况下保持准确定位,用于未来的木星、土星乃至太阳系外探索。

研究小组将进一步改良该系统,计划于2018年晚些时候再次进行实验。最终目标是开发出高精度的全自动太空导航设备,使航天器能在长时间不与地球通信的情况下保持准确定位,用于未来的木星、土星乃至太阳系外探索。

Gendreau指出,NASA的“旅行者”号探测器上携带着一幅地图,它指出了太阳系相对于14个脉冲星的位置。如果一个外星文明找到了这张地图,它就可以利用它来确定地球的位置。

Gendreau指出,NASA的“旅行者”号探测器上携带着一幅地图,它指出了太阳系相对于14个脉冲星的位置。如果一个外星文明找到了这张地图,它就可以利用它来确定地球的位置。

军事资讯,Gendreau说:“当我还是一个孩子的时候,我听到卡尔·萨根谈论过此事。而现在我们正在做这件事。”

Gendreau说:“当我还是一个孩子的时候,我听到卡尔:萨根谈论过此事。而现在我们正在做这件事。”

《中国科学报》 (2018-01-16 第2版 国际)

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