銀河系定位系統(tǒng)：讓宇航員不再迷航

呆阿明

外太空指南針

千百年來(lái)，中國(guó)的四大發(fā)明之一——指南針在航海活動(dòng)中發(fā)揮了巨大的作用。發(fā)展至今，人類也研發(fā)出了更高級(jí)的導(dǎo)航工具，如美國(guó)的GPS、中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。然而，在遲早要到來(lái)的星際旅行中，我們卻沒(méi)有強(qiáng)大的宇宙定位系統(tǒng)。目前，幾乎所有航天器都依靠地球的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)。這就意味著，一旦航天器和地球中斷通信，那么航天器就會(huì)完全迷失在宇宙。

為了能夠給日后的星際旅行中提供導(dǎo)航和定位功能，美國(guó)航空航天局在2018年4月15日舉行的美國(guó)物理學(xué)會(huì)會(huì)議上，發(fā)布了銀河系定位系統(tǒng)。銀河系定位系統(tǒng)的定位和導(dǎo)航范圍為直徑達(dá)10萬(wàn)光年的銀河系內(nèi)。也就是說(shuō)，它能夠?yàn)殡x開(kāi)太陽(yáng)系的宇航員們定位和導(dǎo)航，堪稱外太空指南針。

神奇的脈沖星

銀河系定位系統(tǒng)是如何做到在宇宙中導(dǎo)航和定位的呢？它主要利用脈沖星進(jìn)行導(dǎo)航。脈沖星就是能夠發(fā)出恒定電磁光及X射線的中子星，它們從宇宙的四面八方傳來(lái)，以驚人的速度旋轉(zhuǎn)著。

脈沖星被用來(lái)作為銀河系定位系統(tǒng)的“參照物”，它有什么特別之處嗎？沒(méi)錯(cuò)，脈沖星一邊旋轉(zhuǎn)，一邊向宇宙發(fā)射×射線。并且每次發(fā)射×射線的時(shí)間間隔都相等，比地球上最先進(jìn)的原子鐘還精確。

在銀河系中行駛的航天器可以隨時(shí)捕捉到銀河系內(nèi)脈沖星的信號(hào)。根據(jù)三角定位測(cè)量技術(shù)，就可以根據(jù)其中三顆脈沖星的信號(hào)，知道航天器在銀河系中所處的位置。想象一下，如果你的飛船現(xiàn)在就處于宇宙的某處，然后你檢測(cè)到了一段脈沖，通過(guò)測(cè)算，可以知道這段脈沖的發(fā)出時(shí)間以及接收時(shí)間，那么你就能計(jì)算出這段脈沖在宇宙中傳播了多久，然后再乘以光速，即可獲得距離。通過(guò)計(jì)算三個(gè)不同角度的脈沖，即可大致推算出航天器的三維坐標(biāo)。這樣一來(lái)，脈沖星就能為執(zhí)行深空探索任務(wù)的探測(cè)器和載人飛船提供導(dǎo)航。

這將是人類第一次利用脈沖星進(jìn)行導(dǎo)航。銀河系定位系統(tǒng)背后的團(tuán)隊(duì)宇航局的SEXTANT（空間站×射線計(jì)時(shí)與導(dǎo)航技術(shù)探測(cè)者）當(dāng)前的目標(biāo)是將空間站的方位誤差控制在10千米之內(nèi)，并且持續(xù)兩周時(shí)間。在2017年的演示中，利用脈沖星的閃光作為測(cè)量依據(jù)，空間站的方位誤差控制在7千米左右，共持續(xù)了兩天，這已經(jīng)是不錯(cuò)的成績(jī)了。SEXTANT計(jì)劃的下一個(gè)目標(biāo)是精確到3千米范圍內(nèi)，最終希望是精確到1千米之內(nèi)。

銀河系定位系統(tǒng)并不新鮮

有同學(xué)可能會(huì)認(rèn)為，銀河系定位系統(tǒng)是一項(xiàng)全新的技術(shù)。但實(shí)際上，早在上個(gè)世紀(jì)70年代，美國(guó)航空航天局就開(kāi)始了相關(guān)的研究——1974年，美國(guó)航空航天局噴氣實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家就提出了利用脈沖星進(jìn)行定位的可能性1977年，美國(guó)航空航天局發(fā)射的“旅行者1號(hào)”飛船上攜帶了著名的“黃金唱片”，唱片封面上的脈沖星地圖準(zhǔn)確定位了我們?cè)阢y河系的位置。

盡管有關(guān)利用脈沖星定位的想法早就被提出，但遲遲沒(méi)有進(jìn)展，這是由于毫秒級(jí)別的脈沖難以捕捉。而且飛船也不是一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，這就需要一套計(jì)算量非常大的算法。另外，由于性能較好的X射線望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)得較晚，因此之前能夠捕捉到的穩(wěn)定脈沖少之又少。直到1999年，美國(guó)航空航天局通過(guò)其最新的ARGOS傳感器發(fā)現(xiàn)了穩(wěn)定的脈沖，相關(guān)的宇宙實(shí)驗(yàn)才正式進(jìn)入正軌。有了裝備的提升，銀河系定位系統(tǒng)的進(jìn)展也非常迅速。

不只是導(dǎo)航和定位

過(guò)度依賴地球上的導(dǎo)航系統(tǒng)，將給載人探索任務(wù)帶來(lái)挑戰(zhàn)。地球與深空探索飛船之間的信號(hào)就像是一條細(xì)長(zhǎng)的線，如果這條線斷了，宇航員將很難找到回家的路，這也就是銀河系定位系統(tǒng)導(dǎo)航與定位的意義所在。

當(dāng)然，銀河系定位系統(tǒng)的意義不僅只是為宇航員導(dǎo)航和定位。在人類探索外太空方面，它也將發(fā)揮著極大的作用。我們都知道，在浩瀚的外太空，精確判斷飛船方位的難度極高，許多身負(fù)探索行星重任的航天器都無(wú)法在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)點(diǎn)燃火箭，只能飛躍這些行星的衛(wèi)星。有時(shí)候，航天器已經(jīng)飛到距遙遠(yuǎn)衛(wèi)星很近的區(qū)域，但最終只能與之擦肩而過(guò)。借助這項(xiàng)技術(shù)，科學(xué)家希望執(zhí)行任務(wù)的航天器能夠在太空中“穿針引線”，順利進(jìn)入一顆遙遠(yuǎn)行星的衛(wèi)星軌道，而不是僅僅飛躍這顆衛(wèi)星。

也許在不久的將來(lái)，我們便會(huì)看到一個(gè)擁有未來(lái)派色彩的裝置，為深空探索任務(wù)提供導(dǎo)航，讓與地球失去聯(lián)系的宇航員也能找到回家的路，使浩瀚宇宙不再迷茫。