银河系定位系统：让宇航员不再迷航

呆阿明

外太空指南针

千百年来，中国的四大发明之一——指南针在航海活动中发挥了巨大的作用。发展至今，人类也研发出了更高级的导航工具，如美国的GPS、中国的北斗卫星导航系统等。然而，在迟早要到来的星际旅行中，我们却没有强大的宇宙定位系统。目前，几乎所有航天器都依靠地球的GPS导航系统。这就意味着，一旦航天器和地球中断通信，那么航天器就会完全迷失在宇宙。

为了能够给日后的星际旅行中提供导航和定位功能，美国航空航天局在2018年4月15日举行的美国物理学会会议上，发布了银河系定位系统。银河系定位系统的定位和导航范围为直径达10万光年的银河系内。也就是说，它能够为离开太阳系的宇航员们定位和导航，堪称外太空指南针。

神奇的脉冲星

银河系定位系统是如何做到在宇宙中导航和定位的呢？它主要利用脉冲星进行导航。脉冲星就是能够发出恒定电磁光及X射线的中子星，它们从宇宙的四面八方传来，以惊人的速度旋转着。

脉冲星被用来作为银河系定位系统的“参照物”，它有什么特别之处吗？没错，脉冲星一边旋转，一边向宇宙发射×射线。并且每次发射×射线的时间间隔都相等，比地球上最先进的原子钟还精确。

在银河系中行驶的航天器可以随时捕捉到银河系内脉冲星的信号。根据三角定位测量技术，就可以根据其中三颗脉冲星的信号，知道航天器在银河系中所处的位置。想象一下，如果你的飞船现在就处于宇宙的某处，然后你检测到了一段脉冲，通过测算，可以知道这段脉冲的发出时间以及接收时间，那么你就能计算出这段脉冲在宇宙中传播了多久，然后再乘以光速，即可获得距离。通过计算三个不同角度的脉冲，即可大致推算出航天器的三维坐标。这样一来，脉冲星就能为执行深空探索任务的探测器和载人飞船提供导航。

这将是人类第一次利用脉冲星进行导航。银河系定位系统背后的团队宇航局的SEXTANT（空间站×射线计时与导航技术探测者）当前的目标是将空间站的方位误差控制在10千米之内，并且持续两周时间。在2017年的演示中，利用脉冲星的闪光作为测量依据，空间站的方位误差控制在7千米左右，共持续了两天，这已经是不错的成绩了。SEXTANT计划的下一个目标是精确到3千米范围内，最终希望是精确到1千米之内。

银河系定位系统并不新鲜

有同学可能会认为，银河系定位系统是一项全新的技术。但实际上，早在上个世纪70年代，美国航空航天局就开始了相关的研究——1974年，美国航空航天局喷气实验室的科学家就提出了利用脉冲星进行定位的可能性1977年，美国航空航天局发射的“旅行者1号”飞船上携带了著名的“黄金唱片”，唱片封面上的脉冲星地图准确定位了我们在银河系的位置。

尽管有关利用脉冲星定位的想法早就被提出，但迟迟没有进展，这是由于毫秒级别的脉冲难以捕捉。而且飞船也不是一直处于静止状态，这就需要一套计算量非常大的算法。另外，由于性能较好的X射线望远镜出现得较晚，因此之前能够捕捉到的稳定脉冲少之又少。直到1999年，美国航空航天局通过其最新的ARGOS传感器发现了稳定的脉冲，相关的宇宙实验才正式进入正轨。有了装备的提升，银河系定位系统的进展也非常迅速。

不只是导航和定位

过度依赖地球上的导航系统，将给载人探索任务带来挑战。地球与深空探索飞船之间的信号就像是一条细长的线，如果这条线断了，宇航员将很难找到回家的路，这也就是银河系定位系统导航与定位的意义所在。

当然，银河系定位系统的意义不仅只是为宇航员导航和定位。在人类探索外太空方面，它也将发挥着极大的作用。我们都知道，在浩瀚的外太空，精确判断飞船方位的难度极高，许多身负探索行星重任的航天器都无法在恰当的时机点燃火箭，只能飞跃这些行星的卫星。有时候，航天器已经飞到距遥远卫星很近的区域，但最终只能与之擦肩而过。借助这项技术，科学家希望执行任务的航天器能够在太空中“穿针引线”，顺利进入一颗遥远行星的卫星轨道，而不是仅仅飞跃这颗卫星。

也许在不久的将来，我们便会看到一个拥有未来派色彩的装置，为深空探索任务提供导航，让与地球失去联系的宇航員也能找到回家的路，使浩瀚宇宙不再迷茫。