Навігація на основі рентгенівского випромінювання пульсарів () або просто пульсарна навігація () — метод навігації, за допомогою якого періодичні рентгенівські сигнали, що випромінюються рентгенівськими пульсарами, використовують для визначення місцезнаходження транспортного засобу, наприклад космічного корабля у глибокому космосі. Транспортний засіб, що використовує XNAV, має порівнювати отримані рентгенівські сигнали з базою даних відомих частот та місць розташування пульсарів. Подібно до GPS, це порівняння дозволить транспортному засобу точно розрахувати своє місцезнаходження (±5 км). Перевага використання рентгенівських сигналів над радіохвилями полягає в тому, що рентгенівські телескопи можна зробити меншими та легшими. 2018 року повідомляли про експериментальні демонстрації цього методу.

Принципи

Теорія

Система GPS працює шляхом кодування інформації про час і місце випромінювання сигналу безпосередньо в самому сигналі. Отримання чотирьох таких сигналів дозволяє (в теорії) визначити точне й однозначне положення у чотиривимірному просторі-часі. Натомість окремі імпульси пульсара не містять інформації про час їхнього випромінювання — усі вони виглядають однаково. Через це виникає «проблема неоднозначності», оскільки невідомо, який саме з імпульсів надійшов у даний момент.

Однак точне фіксування часу кожного імпульсу — точне вимірювання зміщення фази — все одно суттєво обмежує можливе положення приймача у просторі. Реєстрація кожного імпульсу позначає двовимірну площину в тривимірному просторі, а відстань між цими площинами дорівнює (швидкість світла, помножена на період); для пульсара з періодом 1мс це становить 300км. Вимірявши зміщення фази для двох (перпендикулярних) пульсарів, можна встановити, що приймач перебуває на лінії перетину двох таких площин. Вимірювання фазових зміщень трьох пульсарів дозволяє, в принципі, отримати точні координати у точці перетину трьох площин:рис.7. На практиці перетин трьох площин обчислюють приблизно в межах точності вимірювань фазового зміщення (що обмежена антеною приймача та попередніми знаннями про профіль імпульсу пульсара). Таких наближених розв'язків може бути багато, але вони мають бути віддалені один від одного на кілька «ширин імпульсу», тобто на тисячі або мільйони кілометрів. Тому навіть грубої попередньої оцінки місця розташування корабля має бути достатньо, щоб знайти правильний перетин трьох площин і розв'язати проблему неоднозначності. Тобто система працює шляхом безперервного оновлення оцінки положення приймача та ймовірного розкиду похибок у міру накопичення даних, подібно до інерціальної навігаційної системи.

Існує кілька різновидів пульсарів, які класифікують за джерелом енергії, періодом, швидкістю зміни періоду та іншими параметрами. Магнетари яскраві, але фізика їхніх процесів ще недостатньо вивчена, і невідомо, чи є їхнє обертання стабільним у довгостроковій перспективі. Пульсари, що живляться акрецією, демонструють значну мінливість пульсації через динаміку акреційного диска. Це залишає лише пульсари, що живляться енергією обертання. Більшість із них мають періоди порядку секунд, проте для точної навігації краще підходять коротші періоди. Крім того, мілісекундні пульсари зазвичай є найстабільнішими та мають найменшу швидкість зміни періоду. Тому саме мілісекундні пульсари вважають найбільш практичними маяками для навігації.

Практична реалізація

Теоретично в радіодіапазоні пульсари яскравіші та мають краще виміряні профілі імпульсів, що дозволяє досягти метрової точності в навігації. Однак це потребувало б радіоантен, які були б у 10–100 разів більшими або важчими за ті, що використовують на космічних апаратах. Натомість рентгенівські приймачі набагато компактніші (оскільки довжина хвилі рентгенівських променів на багато порядків коротша) і краще підходять для космічних апаратів.

Крім того, типові проєкти передбачають багатогодинний збір даних для того, щоб вимірювання фазового зміщення стало достатньо точним для використання (щонайменше для трьох взаємно перпендикулярних пульсарів одночасно). Потреба у тривалому прийомі сигналів з різних напрямків створює значні труднощі для виконання основної місії апарата або збору сонячної енергії (хоча антени з фазованою решіткою можуть значною мірою розв'язати цю проблему).

Навігація космічних апаратів

Дослідження У 2003 році у складі Європейського космічного агентства спільно з Каталонським політехнічним університетом (Іспанія) вивчила можливість навігації за рентгенівськими пульсарами. Це дослідження закріпило інтерес до технології XNAV у Європейському космічному агентстві, що призвело до проведення у 2012 році двох детальніших розробок компанією GMV Aerospace and Defence (Іспанія) та Національною фізичною лабораторією (Велика Британія).

Експерименти XPNAV 1 9 листопада 2016 року Китайська академія наук запустила експериментальний супутник з пульсарною навігацією під назвою XPNAV 1. Супутник масою 240 кг вивели на орбіту на висоті близько 500 км із нахилом 97,41°. XPNAV-1 мав визначити частоту та інтенсивність імпульсів 26 пульсарів для створення навігаційної бази даних, яку могли б використовувати майбутні місії. Очікуваний строк роботи супутника становив від п'яти до десяти років. XPNAV-1 став першим запущеним на орбіту апаратом для навігації за пульсарами.

SEXTANT SEXTANT () — проєкт під керівництвом НАСА, розроблений у Центрі космічних польотів імені Ґоддарда. У межах проєкту проводять випробування технології XNAV на борту Міжнародної космічної станції у зв'язці з приладом NICER, який запустили 3 червня 2017 року місією постачання МКС SpaceX CRS-11. У разі успіху XNAV можуть застосувати як допоміжну навігаційну технологію для майбутніх місій корабля «Оріон». У січні 2018 року дослідники продемонстрували можливість рентгенівської навігації за допомогою NICER/SEXTANT на МКС. Точність визначення координат склала 7 км протягом двох днів спостереженьNASA's Got a Plan for a 'Galactic Positioning System' to Save Astronauts Lost in Space.

Навігація літальних апаратів У 2014 році провела дослідження можливості використання пульсарів замість GPS у навігації. Перевагою навігації за пульсарами є більша кількість доступних сигналів порівняно з супутниковими угрупованнями, стійкість до радіоперешкод завдяки широкому діапазону частот, а також захищеність джерел сигналу від знищення протисупутниковою зброєю.

Позаземний розум Мілісекундні пульсари є хорошими кандидатами на роль просторово-часових орієнтирів. Зокрема, позаземний розум міг би кодувати значні обсяги інформації за допомогою сигналів мілісекундних пульсарів, а метадані про XNAV, ймовірно, кодувалися б із посиланням на ці об'єкти. Навіть обговорювали припущення, що розвинені цивілізації могли б модифікувати або цілеспрямовано створювати мілісекундні пульсари для цілей хронометражу, навігації та зв'язку.

Примітки

Посилання

Johns Hopkins APL to Develop Deep Space Navigation Network US Government Contract Proposal for X-Ray Pulsar Based Navigation and Time Determination