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中国科学院国家空间科学中心研究员李保权应邀

专家简介:

  “尽管上世纪七十年代就提出关于脉冲星导航的概念,但是基于现代卫星导航系统到达时间测距思想而提出的X射线脉冲星导航技术问题,也仅是近10年来的事。目前,X射线脉冲星导航技术研究处于关键技术研究与地面验证阶段,即将开展空间飞行试验,实测验证其可行性。”帅平说。

(物理与材料科学学院 张浩兴)

  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。

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。

  “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。

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。

  据中国空间技术研究院脉冲星导航卫星科学任务系统总设计师帅平研究员介绍,恒星的一生也像人一样,经历从孕育诞生,到成长成熟,以及最终衰老死亡的整个过程。大体上说来,恒星死亡后的遗骸可以分为三类:白矮星、中子星和黑洞。

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。

  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。

  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。

  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。

  自然界最精准的天文时钟

  对于红外、可见光和紫外脉冲星来说,由于数量稀少,光度较低,要求较大口径的望远镜以及较高的指向精度和信号处理技术,也不宜用于航天器自主导航。

  可是,导航和时间精准不精准有什么关系呢?

  据新加坡《联合早报》网站10月10日报道,中国媒体报道称,据中国空间技术研究院脉冲星导航卫星科学任务系统总设计师帅平研究员介绍:脉冲星导航系统并非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。“其实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。”

  事实上,无论是最早出现的地文导航,还是大航海时代的天文导航,还是现代的无线电导航,都需要时间。

  “如果导航星座能实现自主导航,那么将有效地减轻地面测控系统的工作负担,减少测控站的布设数量和地面站至卫星的信息注入次数,降低卫星导航系统的建设和长期运维费用。”帅平说,“减少导航星座对地面控制系统的依赖,也能增强系统自主生存能力,具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义。”

  脉冲星的自转轴与磁极轴之间有一个夹角,两个磁极各有一个辐射波束。当星体自转且磁极波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时,探测设备就能够接收到一个脉冲信号。脉冲星具有良好的周期稳定性,其稳定度达到10的负19次方。

  帅平介绍说,在无线电导航中,时间测量是基本观测量,根据信号传播时间来计算两者之间的距离。卫星导航系统是一种天基的无线电导航系统,采用单向达到时间测量距离。脉冲星导航与卫星导航定位原理极为相似,其观测距离是利用脉冲星发射的同一个X射线脉冲信号到达太阳系质心和航天器的时间差来测定的。当前,卫星导航定位精度为10米,脉冲星导航的最终精度也能够达到10米水平。

  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。

  “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。

  “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。”

  他指出,以脉冲星辐射的X射线信号作为天然信标,导航卫星可以自主生成导航电文和控制指令,维持星座基本构形,不存在星座整体旋转误差累积问题,从而实现导航星座长时间自主运行。

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  虽然还不知道结果会怎样,帅平对未来却充满信心。“以脉冲星为基准的时间系统如果建成了,将是颠覆性的。也许不久的将来,我们的航天器可以长时间不需要人来照料,我们对表的时间将是脉冲星时间。”

 

利用脉冲星的航天器导航。

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