将射世界首颗脉冲星导航卫星,中国科学院国家空间科学中心研究员李保权应邀来我校讲学
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  目前,已发现和编目的脉冲星达到2000多颗,其中约有160多颗脉冲星具有良好的X射线信号周期稳定辐射特性,可以作为导航候选星。

李保权主要以《服务于脉冲星导航的嵌套聚焦型X射线计时探测器》为题,向大家介绍了关于国内在研制嵌套聚焦型X射线计时探测器方面取得的最新进展和研究成果。脉冲星是一种快速旋转的致密中子星,其位置坐标犹如恒星星表,另外毫秒脉冲星的自转周期又极为稳定,所以,理论上脉冲星可提供绝好的空间参考基准和时间基准,为航天器提供天然的导航信标。基于X射线脉冲星的自主导航系统是新型自主导航方式,也是一种前瞻性、战略性的导航技术,它能够为近地轨道、深空飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富信息,且不依赖地面的导航系统。X射线计时探测器是脉冲星导航的核心设备,不仅要求具有高灵敏、大面积的同时,还要求轻量化、小型化。报告结束后,他与现场师生进行了互动,就大家提出的相关问题,给予了耐心细致的解答。

  脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线或伽马射线等电磁波段发射信号。为什么要选择X射线脉冲星来探索组建导航系统呢?

李保权,男,1973年5月生,主要从事太阳X射线成像、太阳极紫外成像等新型高分辨遥感仪器的开发应用,长期从事X射线高分辨成像技术和空间环境探测技术研究。中国科学院国家空间科学中心研究员,博士,博士生导师,中国科学院大学首席岗位教授,哈尔滨工业大学兼职教授。主持国家重大装备预研、空间科学先导背景型号、国家自然科学基金、863等数十项科研攻关课题。主持完成过X射线和极紫外一体化的高分辨太阳X-EUV成像仪、微型超高精度太阳敏感器、高分辨太阳Lyman-alpha成像仪、微束微型便携式调制X射线源、高分辨纳型星敏感器、纳型数字太阳敏感器,以及嵌套聚焦型脉冲星X射线计时探测器等先进有效载荷。获得国家科技进步二等奖1项、北京市科技进步一等奖1项、中国科学院科技进步二等奖1项。公开发表学术论文70余篇,其中SCI、EI收录近20篇,撰写载荷研制技术报告和空间环境探测战略规划报告近百篇。

  第二,探测蟹状星云脉冲星(Crab),解决中国研制的探测器“看得见”脉冲星的问题。早在1054年,宋朝的天文学家就首次观测并记录了蟹状星云脉冲星的超新星爆发,探寻祖先发现的这颗脉冲星,也将成为中国X射线脉冲星探测的历史性跨越。同时,还计划探测另外7颗脉冲星,包括4颗脉冲星双星系统和3颗低流量的脉冲星,并开展相关拓展试验。

9月25日下午,应我校物理与材料科学学院邀请,中国科学院国家空间科学中心研究员、博士生导师李保权来我校讲学。报告会在物理南楼二楼报告厅举行,物理与材料科学学院相关领导、相关专业教师、研究生和本科生百余人参加了报告会。

  在移动互联网时代,人们的出行日益依赖卫星导航。GPS导航家喻户晓,北斗导航也日益完善,可是你听说过脉冲星导航吗?

(物理与材料科学学院 张浩兴)

  脉冲星的典型半径仅有10公里,其质量却在1.44倍至3.2倍太阳质量之间,是除黑洞外密度最大的天体。每立方厘米的脉冲星质量达到1亿吨,要用1000艘百万吨级的巨轮才能拖动。

  “脉冲星就是高速自转的中子星,具有极其稳定的周期性,其稳定度比目前最稳定的氢原子钟还要高1万倍以上,被誉为自然界中最稳定的天文时钟,使之成为人类在宇宙中航行的灯塔。”帅平说。

  第三,探测3颗低流量脉冲星。蟹状星云脉冲星的流量是每秒钟每平方厘米1.54个光子,但是低流量脉冲星每秒钟每平方厘米只有0.001个光子,探测难度更大,但是更有希望用于导航。这是因为低流量脉冲星大量存在,同时不会像蟹状星云脉冲星那样因为周期跃变而导致稳定度下降。如果能探测到3颗低流量脉冲星,那么就可以实测验证脉冲星导航技术的可行性。

  X射线脉冲星的独特优势

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  据他介绍,这颗卫星有三个试验目标:

  因为各项工作几乎无先例可循,帅平带领的研究团队历时10年的攻关研究,突破了探测器、数据库、时间同步和大尺度导航等关键技术。

  例如,所处位置的经度测量就得依赖于时间测量。众所周知,地球每24小时自转一周,也就是360度,每小时就相当于经度15度。所以,只要知道两地的时间差,就可以知道两者之间的经度差了。如果某地的正午12点正好是伦敦的上午10点,那么就说明此地在伦敦东边30度的地方。所以,导航的核心就是要解决时间测量问题。

  这一次,中国不再跟随美欧的脚步,而要成为“第一个吃螃蟹的人”。“11月将择机发射的世界上首颗脉冲星导航试验卫星将搭载两种类型的探测器载荷:一个是准直型微通道板探测器,探测面积为2400平方厘米;另一个是聚焦型探测器,聚焦镜头口径为17厘米。”帅平说。

  不过,X射线难于穿透地球稠密的大气层,因此只能在地球大气层外空间才能观测到。所以,脉冲星导航系统不能直接对地面进行导航,而是对近地轨道卫星、深空探测及星际飞行器进行导航。

  外媒称,10月8日恰逢中国航天事业创建60周年。记者从中国空间技术研究院获悉,中国将于11月择机发射首颗脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1),实测脉冲星发射的X射线信号,尝试验证脉冲星导航技术体制的可行性。

 

利用脉冲星的航天器导航。

  “X射线属于高能光子,集中了脉冲星绝大部分辐射能量,易于小型化设备探测和信号处理,使其应用于航天器成为可能。”帅平说,“脉冲星导航就是利用脉冲星发射的X射线信号作为天然信标,引导航天器在宇宙空间自由航行的。”

  “接下来,我们打算通过5到10年的努力,探测26颗脉冲星,把它们的数据测得非常精准,建立脉冲星导航数据库。”帅平说,这26颗脉冲星分布在整个天球当中,距离地球都十分遥远,从几千到几万光年不等。

  “10的负19次方是什么概念呢?就是两个脉冲信号点之间的周期差值,只有在小数点后面第19位才会出现变化。”帅平解释说,目前国际时间基准是原子时系统,最好的氢原子钟的稳定度只能达到10的负15次方水平,比脉冲星时钟的稳定度还要低4个量级。

  10月8日恰逢中国航天事业创建60周年。记者从中国空间技术研究院获悉,中国将于11月择机发射首颗脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1),实测脉冲星发射的X射线信号,尝试验证脉冲星导航技术体制的可行性。

  “这就好像把原来的时间尺子刻度加密到1/10000,刻度更细密了,我们就能量得更精确、看得更细致。”帅平说。

  可是,导航和时间精准不精准有什么关系呢?

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