行星探测工程几大系统 脉冲星导航系统

如果你在大海航行，需要查看方位，可以用灯塔来指引，但如果在太空需要查看方位我们该怎么做呢？

脉冲星的磁力线图。来源:美国国家航空航天局

航天器在地球轨道以外的导航通常由任务控制中心执行。遍布地球的一系列无线电通信阵列被称为深空网络，允许操作人员与太空探测器联系并更新它们的导航状态。

如果宇宙飞船可以自主确定位置，而不需要给家里打电话，那会怎么样?这是航空航天工程师们长期以来的梦想，现在已经接近实现了。

脉冲星是关键。

脉冲星是旋转的中子星——爆炸的超巨星的超致密核心——从它们的极点发射出电磁辐射。

它们就像星际灯塔一样，以可靠的节奏反复冲洗地球上的无线电信号。

第一颗脉冲星是由乔瑟琳·贝尔在1967年发现的，它被称为lcm -1(小绿人1号)，因为在发现第二颗脉冲星之前，不能排除这个信号是外星生命发出的。现在，我们知道了数千个，并确信它们是自然现象。

由于脉冲星波束是可预测的，它们可以用于某种三角测量，在这种测量中，接收重叠脉冲星信号的航天器应该能够计算出它在太空中的位置，误差在5到10公里以内。

NICER是安装在国际空间站外部的脉冲星导航系统原型。来源:美国国家航空航天局

该方法的理论基础是可行的，以至于20世纪70年代，“旅行者”号和“先锋号”宇宙飞船侧面装有黄金唱片(地球和人类文化的时间胶囊)，上面图形地显示了我们太阳相对于14颗脉冲星的位置，以防任何外星文明偶然发现宇宙飞船，想来地球上拜访我们，而无法确定位置。

但如果脉冲星是一种如此有效的导航方式，为什么它们还没有被使用呢?自20世纪70年代喷气推进实验室首次开始研究这一前景以来，对这一课题的研究一直在进行。

在所有的太空任务中，首要的考虑因素之一就是重量。把东西发射到太空是很昂贵的，所以每个飞行器上的每公斤都要计算在内。

任何可行的脉冲星导航系统都必须非常小，非常轻，否则重要的科学仪器或推进燃料可能不得不缩小尺寸来弥补。

这是设计可行的脉冲星导航系统的一个重要障碍。脉冲星通常是非常微弱的光源，如果没有强大的(重型)设备，特别是在无线电频率下，很难探测到它们。

幸运的是，有一个解决方案可能会使它可行，那就是使用x射线望远镜。它们可以更小更轻，仍然可以像无线电天线一样接收脉冲星信号。

近年来，天文学家一直致力于改进航天器处理脉冲星信号的方法，提高系统的效率并缩小误差范围。

硬件甚至已经在国际空间站上进行了测试，自2018年以来，洗衣机大小的NICER/SEXTANT实验已经成功地使用脉冲星跟踪了空间站的位置。

NICER任务的中子星探测器

现在，研究团队正致力于为深空任务开发更紧凑的硬件。

上个月在arXiv上发布的一份预印本描述了一款名为PODIUM的导航单元原型，重量仅为6公斤，使用20W功率，可装入15厘米乘24厘米乘60厘米的盒子中。

初步结果很有希望。PODIUM应该能够利用脉冲星目录中的x射线信号，在大约10公里内确定航天器的位置。

很快，这些原型就会变成真正的东西，引导下一代太空探测器到达目的地。

它们也可能引导载人飞船，美国宇航局即将发射的“月球之门”空间站预计将配备脉冲星导航系统。

我们正处于自主深空导航的风口浪尖:就像GPS，但针对的是银河系。