パルサーに基づくナビゲーション
パルサーから放出されるX線信号を用いた航法技術

X線パルサー航法・タイミング（XNAV）、または単にパルサー航法は、パルサーから放出される周期的なX線信号を用いて、深宇宙の宇宙船などの乗り物の位置を決定する航法技術です。XNAVを使用する乗り物は、受信したX線信号を既知のパルサー周波数と位置のデータベースと比較します。GPSと同様に、この比較により、乗り物は正確な位置（±5 km）を計算できます。電波よりもX線信号を使用する利点は、X線望遠鏡を小型軽量化できることです。 [1] [2] [3] 2018年には実験的実証が報告されています。[ 4]

原理

理論

GPSは、信号自体に信号の発信時刻と位置に関する情報をエンコードすることで機能します。このような信号を4つ受信することで、（原理的には）4次元時空における正確で明確な位置を特定できます。対照的に、パルサーからの個々のパルスには、それぞれがいつ発信されたかに関する情報が含まれておらず、すべて同じように見えます。そのため、「どの」パルスを受信したのかわからないため、「曖昧性の問題」が生じます。[3]

しかし、各パルスの正確なタイミング、つまり位相オフセットの正確な測定は、受信機の空間位置を依然として大きく制約します。各パルスの受信は3次元空間に2次元平面を描き、各パルス間、つまり各平面間の間隔はcP（光速×周期）です。1ms のパルサーの場合、これは300kmです 。2つの（直交する）パルサーの位相オフセットを正確に測定することで、受信機は2つの平面の交点（直線）上になければなりません。そして、このような3つのパルサーの位相オフセットを測定することで、原理的には、3つの平面の正確な交点における正確な位置を復元できます。[3] [a]実際には、3つの平面の交点は、位相オフセット測定の精度（受信機のアンテナとパルサーのパルスプロファイルに関する事前知識によって制限される）の範囲内で近似的に解く必要があります。このような近似解は多数存在する可能性がありますが、それらは数十または数百の「パルス幅」、つまり数千または数百万キロメートルのオフセットを持つ必要があります。したがって、位置の大まかな事前推定値であっても、正しい三面交差を見つけるのに十分であり、あいまいさの問題を解決します。[3]（つまり、このシステムは、パルサーデータの収集が続くにつれて、受信機の推定位置と推定誤差の広がりを継続的に更新することで機能します。 [3]、慣性航法システムとよく似ています。）

パルサーの種類

パルサーにはいくつかの種類があり、エネルギー源、周期、周期の変化率、広帯域／電波／X線フラックス、および年齢によって分類できます。

マグネターは明るいですが、十分に理解されておらず、その回転が長期的に安定しているかどうかは分かっていません。降着円盤のダイナミクスの結果として、降着エネルギーで駆動されるパルサーは、脈動にかなりの変動を示します。[3]

残るは自転駆動パルサーです。ほとんどのパルサーの周期は秒単位ですが、短い方が精密航行に適しています。さらに、ミリ秒パルサーは周期の変化率が最も遅く、最も安定している傾向があります。[3]そのため、ミリ秒パルサーは航行に最も実用的なビーコンと考えられています。

実用性

原理的には、パルサーは電波帯域でより明るく、電波でのパルスプロファイルの測定精度も優れているため、最大メートル単位の精度での航行が可能です。しかし、これには21世紀初頭の宇宙船で使用されているものよりも10倍から100倍の大きさ/重さの無線アンテナが必要になります。対照的に、X線受信機ははるかに小型（波長が短いため）で、宇宙船に適しています。[3]

さらに、典型的な設計では、位相オフセット測定が十分に正確になり、一度に少なくとも3つの（互いに垂直な）パルサーについて、有用なレベルに達するまでに何時間ものデータ収集が必要であることが想定されています。多くの異なる方向からの長時間受信の必要性は、宇宙船の主なミッションまたは太陽光発電の収集に大きな課題をもたらします（ただし、フェーズドアレイアンテナはこの問題を概ね解決する可能性があります）。[3]

宇宙船のナビゲーション

研究

ESAの高度概念チームは、 2003年にスペインのカタルーニャ工科大学と共同で、X線パルサーナビゲーションの実現可能性を研究しました[5] 。この研究の後、欧州宇宙機関（ESA）内でXNAV技術への関心が高まり、2012年にはGMV AEROSPACE AND DEFENCE（ES）と国立物理学研究所（UK）によって2つの異なる、より詳細な研究が実施されました[6] 。

実験

XPNAV 1
2016年11月9日、中国科学院はXPNAV 1と呼ばれる実験的なパルサー航法衛星を打ち上げました。[7] XPNAV-1は質量240kgで、493km×512km、97.41°の軌道上にあります。[7] XPNAV-1は、26個の近隣パルサーのパルス周波数と強度を特徴付け、将来の運用ミッションで使用できる航法データベースを作成します。この衛星は5年から10年間運用される予定です。XPNAV-1は、軌道上に打ち上げられた最初のパルサー航法ミッションです。[8]
セクスタント
SEXTANT（X線タイミング・ナビゲーション技術のためのステーションエクスプローラー）は、NASAが資金提供しているゴダード宇宙飛行センターで開発されたプロジェクトで、 NICERプロジェクトに関連して、国際宇宙ステーションの軌道上でXNAVをテストしています。NICERプロジェクトは、2017年6月3日にSpaceX CRS-11 ISS補給ミッションで打ち上げられました。[9]これが成功すれば、XNAVは計画されているオリオンミッションの二次ナビゲーション技術として使用される可能性があります。[10] 2018年1月、ISSでNICER/SEXTANTを使用してX線ナビゲーションの実現可能性が実証されました。[11] 7kmの精度（2日間で）が報告されました。[12]

航空機ナビゲーション

2014年、アムステルダム国立航空宇宙研究所は、ナビゲーションにおけるGPSの代わりにパルサーを使用する実現可能性調査を実施しました。パルサーナビゲーションの利点は、衛星ナビゲーション システムよりも多くの信号を利用できること、妨害されないこと、利用可能な周波数範囲が広いこと、そして信号源が対衛星兵器による破壊から保護されることなどです。[13]

地球外知性

パルサーの中で、ミリ秒パルサーは時空の基準となる良い候補です。[14]特に、地球外知性体はミリ秒パルサー信号を使用して豊富な情報をエンコードする可能性があり、XNAVに関するメタデータはミリ秒パルサーを参照してエンコードされる可能性があります。[15]最後に、高度な地球外知性が、タイミング、ナビゲーション、通信の目的でミリ秒パルサーを微調整または設計した可能性があることが示唆されています。[16]

参考文献

  1. ^ 引用文献の図7を参照
  1. ^ Commissariat, Tushna (2014年6月4日). 「パルサーが宇宙ミッションへの道筋を示す」. Physics World .
  2. ^ 「パルサー信号を用いた惑星間GPS」. MIT Technology Review . 2013年5月23日. 2014年11月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年6月4日閲覧
  3. ^ abcdefghi Becker, Werner; Bernhardt, Mike G.; Jessner, Axel (2013). 「パルサーを用いた自律宇宙船航法」. Acta Futura . 7 (7): 11–28 . arXiv : 1305.4842 . Bibcode :2013AcFut...7...11B. doi :10.2420/AF07.2013.11. S2CID  118570784
  4. ^ Witze, Alexandra (2018). 「NASA​​のテストにより、パルサーが天体GPSとして機能できることが証明された」Nature . 553 (7688): 261–262 .書誌コード:2018Natur.553..261W. doi : 10.1038/d41586-018-00478-8 .
  5. ^ 「パルサーのタイミング情報に依存する宇宙船航法システムの実現可能性調査」(PDF) . Ariadna最終報告書.高度概念チーム
  6. ^ 「パルサーによる深宇宙航行」GSPエグゼクティブサマリー。ESA、一般研究プログラム。2017年3月16日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2017年9月18日閲覧。
  7. ^ ab Krebs, Gunter. 「XPNAV 1」. Gunter's Space Page . 2016年11月1日閲覧。
  8. ^ 「中国の長征11号、初のパルサー航法衛星を軌道に乗せる」. Spaceflight101.com. 2016年11月10日. オリジナルから2017年8月24日アーカイブ。 2016年11月14日閲覧。
  9. ^ 「NICER、SpaceX-11のISS補給飛行で輸送」. NICER News. NASA . 2015年12月1日. 2017年6月14日閲覧。当初は2016年12月にSpaceX-12で打ち上げられる予定だったNICERは、ドラゴンロケットの非与圧トランクに搭載され、SpaceX商業補給サービス（CRS）-11の他の2つのペイロードとともに国際宇宙ステーションへ飛行します
  10. ^ 「中性子星、重たい心臓を開く準備完了」Nature.com、2017年5月31日
  11. ^ 「国際宇宙ステーション利用：NICER/SEXTANT（2022年までのアップデート付き）」欧州宇宙機関（ESA）オンラインポータル（eoPortal）、2016年2月2日
  12. ^ NASA、宇宙で迷子になった宇宙飛行士を救うための「銀河測位システム」計画
  13. ^ Bauke Stelma（2015年6月8日）「パルサー航法：星の助けを借りた航空機の操縦」ExtremeTech
  14. ^ Sullivan, WT III（1993年）「天体物理学的コーディング：SETI信号への新たなアプローチ」地球外生命探査の進歩：1993年生物天文学シンポジウム、カリフォルニア州サンタクルーズ、1993年8月16～20日。太平洋天文学会。ISBN 0-937707-93-7 OCLC  32232716
  15. ^ Vidal, Clément (2017).「ミリ秒パルサーを標準として：タイミング、測位、通信」「パルサー天体物理学：今後50年：国際天文学連合第337回シンポジウム議事録」ケンブリッジ大学出版局. ISBN 978-1-107-19253-9 OCLC  1028211375
  16. ^ ヴィダル、クレメント (2017). 「パルサー測位システム：地球外工学の証拠の探求」.国際宇宙生物学ジャーナル. 18 (3): 213–234 . arXiv : 1704.03316 . doi : 10.1017/s147355041700043x . ISSN  1473-5504
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