如果GPS代表的是“银河定位系统”？ 美国宇航局的科学家演示了如何使用来自遥远脉冲星的信号在太空中导航

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近日，在美国天文学会第231次会议上，美国宇航局中子星内部组成探测器（NICER）任务的首席研究员Keith Gendreau介绍了一件令人瞩目的事情：第一次成功地演示了使用脉冲星进行导航的系统空间。

其基本思想与全球定位系统（GPS）或其他全球卫星导航系统相似。当您使用GPS来寻找前往星巴克的路线时，您将依赖于位置已知的一系列卫星的传输。您测量的信号的时间可以被用来推断接收器的位置。但是，只有当接收器在地球上或靠近地球时才有效。如果你想在深空去参观星巴克，你必须通过其他方式来找到它。

目前，深空导航主要依靠使用从地球发送的无线电信号传输到远距离的探测信号，这些信号必须用巨型天线发送。探测器通过发回信号做出响应。因此，从信号以光速传播到探测器的时间和返回信号的时间长度来计算距离 - 总距离并不难。但角度更难钉住。因此，当您离开地球时，这样的位置准确性就会降低。事实上，对于重要的操作，比如插入到比木星还远的轨道中去，空间导航做这些是具有挑战性的。

那么远离地球的航天器怎么能够精确地定位呢？一种可能性是使用脉冲星作为一种天然的GPS信标。要理解这种方式是行得通的，你首先需要了解一些关于脉冲星的知识。

第一颗脉冲星是1967年发现的，当时无线电天文学家约瑟琳·贝尔·伯内尔（Jocelyn Bell Burnell）和安东尼·海维什（Antony Hewish）用剑桥大学的一套射电望远镜探测到了远处的天体发出奇怪的脉冲。起初，他们把LGM-1称为LGM-1的缩写，代表“小绿人”（Little Green Men）。尽管他们并不认为自己已经发现了来自智能外星人的信号，但他们却不知该如何解释这种现象。

不久之后，还发现了其他的脉冲星信号，并且出现了一个模型，说明这些脉动无线电信号是如何自然产生的。

脉冲星似乎是强磁场的中子星。磁场的极点与恒星的旋转轴线不一致，所以它们与恒星一起旋转，将电磁能量沿着像灯塔的光束那样迅速地扫过天空的方向传送。当地球瞬间被这种能量照射时，无线电天文学家的天线会接收到一个脉冲。而这些脉冲则以规则的间隔重复，由中子星的自旋速率控制。

1974年，在美国宇航局喷气推进实验室工作的乔治·S·唐斯（George S. Downs）提出了使用无线电脉冲星进行航天器导航的可能性。他建议位置可以通过合适的无线电天线确定在150公里以内，并且可以进行24小时的测量。

在1981年，喷气推进实验室（JPL）的其他研究人员建议使用X射线脉冲星代替射频脉冲星来达到这个目的。这样做将允许在航天器上使用更紧凑的天线，并提供更高精度修复的可能性。

接下来的一年，这些神秘物体的新类别被认可 - 所谓的毫秒脉冲星。第一个被发现的重复间隔只有1.6毫秒，表明创建它的主体每分钟旋转超过38,000转。来自毫秒脉冲星的信号特别规则，与原子钟中的振荡器的稳定性相媲美。

然后在1993年，发现了毫秒级的X射线脉冲星。这些潜在的导航信号源提供了“稳定的时钟”，并提供了紧凑的X射线天线而不是大型无线电天线接收信号的能力。当年提出了一项提案，以测试在ARGOS卫星上使用X射线传感器来使用毫秒级X射线脉冲星进行空间定位的可能性，ARGOS卫星定于今年晚些时候发射。

ARGOS实验是在1999年进行的，虽然没有透露太多。但是，使用X射线毫秒脉冲星进行空间导航的想法仍在继续。例如，Suneel Sheikh在马里兰大学做博士生的时候研究了它。位于华盛顿附近的美国海军研究实验室的研究人员安装了一个DARPA资助的项目，以进一步开发这项技术。就像所有好的太空科技一样，这种方法也被赋予了一个大写的绰号-XNAV--尽管在那个阶段它仍然只是一个想法。

2017年NASA推出了NICER X射线望远镜。有了它，Gendreau，Mitchell和NASA的其他人员希望能够成功地演示X射线脉冲星可以用于导航。那个有自己的缩写的实验SEXTANT（用于X射线定时和导航技术的站探测器）被搭载在NICER的任务上，这个任务主要是科学而不是工程目标。

相关观测发生在去年十月和十一月，当时位于国际空间站的NICER望远镜仔细测量了少量毫秒X射线脉冲星的信号。 “我们的导航目标是10公里，”米切尔说。 “我们在不到8个小时的时间里就能做得更好。”

如何将脉冲星测量转换为定位是简单的，至少在概念上是这样的。考虑下面的思想实验：

想象一下，你的飞船是静止的。 （当然，从来不会如此，但是它使事情变得更容易）。通过将X射线望远镜指向它的方向，观察已知的毫秒级X射线脉冲星。标记一个脉冲的时间，比如说峰值强度。

这个脉冲很久以前就从远处的脉冲星发射出来，然后通过太空向外扩散。如果你知道确切的时间是第一次发射的时间，以及你收到的确切时间，那么你就可以推断它在太空中飞行了多久，乘以光速将为您提供一个距脉冲星的距离的测量。

但是，你所知道的是：你与脉冲星的距离。所以你可以在一个以脉冲星为中心的巨大球面上的任何地方。请记住，脉冲星以固定间隔发射脉冲，当你接收到脉冲星时，你不能区分。所以，实际上，你可能会排列在一个个脉冲星周围的大的同心球面上。

由于脉冲星距离遥远，所以这些球面在你附近的曲率不会太大：对你来说，它们本质上是平面，它们在空间上定期间隔。而且因为你不知道你首先测量了哪个脉冲，所以有许多这样的平面，所有这些平面都是相互平行的，原则上可以位于这样的一个个平面上。

如果那是你所拥有的所有信息，那么你就不会知道你在哪个表面上，或者你在哪个表面上的哪个点上。但是你现在可以把你的X射线望远镜瞄准天空不同部位的其他精密研究的毫秒脉冲星，每个望远镜都可以提供一套类似的X射线望远镜可能的平行表面。

这里的关键在于，只有一个空间位置对于每个脉冲星是合理的。所以这是你必须找到的地方。 Goddard SEXTANT项目的技术负责人Luke Winternitz说：“GPS也是这样工作的。更准确的说，只有一个解决方案是合理的。

Winternitz和他的NASA同事发现了这一点，他使用了几十个精心挑选的脉冲星的测量数据。起初，他们在现场处理了数据，很高兴地发现他们可以计算一个准确的位置。后来他们能够在NICER仪器本身上处理测量结果，以产生定位解决方案。温特尼茨说：“我们的任务要求是要实时证明这一点。

我觉得这是一个惊人的成就。这表明，未来的航天器，即使是探索太阳系边缘的宇宙飞船，也应该能够自主地在几公里之内确定它们的位置。经过几十年的思考，一些聪明的人终于想出了如何实际使用由自然界偶然排列在银河系周围的一组导航信标。

真是太不可思议了。事实上，这不可思议的让有些人感到超出了自然的工作。甚至在NICER进行这些测量之前，由克莱门特·维达尔（ClémentVidal）领导的布鲁塞尔自由大学（University of Brussels）的一组研究人员探索了这些X射线毫秒脉冲星是否可以有目的地排列在银河系周围。在名为“脉冲星定位系统：寻求外星工程证据”的预印本中，他们检查了这种可能性。

来源：IEEE电气电子工程师学会（版权归原作者及刊载媒体所有）

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编辑 /孙浩南    审核 / 胡芳霞

指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)