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“叮咚,你的宇宙信息急件到了”

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撰文 | 刘红薇(中国科学院高能物理研究所)
 
责编 | 王一苇
 
北斗卫星润物细无声地影响着我们生活的方方面面,除了提供传统意义上的导航服务以外,还在个人位置服务、气象应用、道路交通管理、海运和水运、航空运输、应急救援和精准农业等方面有比较好的应用。比如用北斗卫星放牧,只要在牛羊脖子上套个用芯片、绑带和太阳能电池板组成的项圈,就可以精准定位牛羊位置,找到走丢的牛羊。
 
而北斗的功能不仅可以 “接地气”,也可以 “高大上”。它能大大加速太空中天文观测数据的传递,有助于天文学家开展进一步研究。不久前,中国的天文学家们就收到了北斗卫星系统发来的“宇宙信息急件”。
 
2017年10月16号,美国的LIGO和欧洲Virgo两个引力波探测天文台宣布,2017年8月17日人类首次探测到了双中子星并合引力波事件。全球的很多望远镜首次观测到了产生引力波暴的天体发出的光,也就是引力波电磁对应体的信号。当时我国首颗空间X射线天文卫星慧眼也成功监测了该事件,获得了重要的科学数据,可是这些重要的数据只有在卫星几个小时后通过我国境内的地面站上空时才能下达,科学家才能进一步分析处理数据,而这已经是卫星使用地面站优先级最高的情况下,下传数据最快的速度了;对于转瞬即逝的引力波之光,这样的滞后操作,有可能会丧失科学发现的机会:如果不能及时得到数据,就无法引导科学家们进行后随观测。
慧眼卫星只有在经过我国境内地面站上空时,才能传递观测信号,所以从卫星探测到信号到传递到数据中心往往需要几个小时的时间 图源:中科院高能物理研究所
 
北斗卫星独有的 “短报文” 功能这时就派上了用场。平时我们用手机发短信,手机要通过基站提供服务。而 “北斗” 就是太空中的基站,向地面发送的 “短报文” 就是来自太空的短信。北斗三号的24颗地球中圆轨道(MEO)卫星、3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星和3颗地球静止轨道(GEO)卫星构成了全球网络,任何一个地方传送的数据都可以通过这一网络相互传递,再传到中国国内的地面站。全球的导航系统中,包括大家熟知的全球定位系统(global positioning system, GPS),全球卫星导航系统(global navigation satellite system, GNSS)等,只有我国的北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system, BDS),有 “短报文” 功能。
 
通常情况下,卫星上探测得到的天文现象和天文数据,只有通过地面的接收天线下传到地面后,地面人员才能进一步分析处理,需耗时几个小时甚至更久。而卫星采用北斗 “短报文” 功能后,能以 “短信息” 的形式,将在太空中获得的重要爆发信号 “准实时” 下传到北斗地面站,即延时仅约1分钟,约等于实时下传。而且,北斗约10多秒就可发送一条短报文。
 
今年年初,中国科学家们第一次成功应用了北斗短报文功能。2020年12月10日,我国在西昌卫星发射中心成功发射了引力波暴高能电磁对应体全天监测器(GECAM)卫星,它又叫 “怀柔一号”,包含两颗微小卫星。它们上天后逐渐分开,分别处于地球的两端,可以全天候无死角地监测整个天区,很好地捕捉宇宙中稍纵即逝的光,即引力波高能电磁对应体事件。
 
GECAM的两颗卫星不管谁接收到信号,都会立即通知就近的北斗卫星,也会传给离地面站最近的卫星发布。神秘的天文信号往往转瞬即逝,如果使用了北斗 “短报文” 功能,从卫星探测到信号到科学家接收到数据仅仅需要不到1分钟的时间,这就为我们探测这些信号以及引导全球后随观测赢得了宝贵的时间。
 
由于短报文每条数据量非常小,有效信息只有506比特,因此短报文的功能是把最关键、最重要的信息快速传下来,更精细的信息还是需要通过数传通道下来。
 
GECAM卫星发射至今仅仅2个月的时间,还处于在轨测试阶段,已经通过北斗 “短报文” 功能向地面发送了12个伽马射线暴、9个磁星爆发,以及多个其他类型的天体活动的信息,平均延时只有20秒左右,并发布了10个GCN(Gamma-ray Burst Coordinates Network,GCN,国际伽马暴协调网络)通告和1个Atel(The Astronomer's Telegram,天文快报)通告。GCN和Atel都是天文学家常用的信息发布网络,用于向全球共享天体活动信息,引导随后观测。这是人类第一次使用导航卫星传递宇宙中的神秘信号,开启了北斗系统服务于空间科学研究的新时代。
GECAM卫星使用北斗“短报文”功能传递信号 图源:中科院高能物理研究所
 
GECAM是第一个吃螃蟹的卫星,但绝不是最后一个,它将会广泛应用到我国后续的天文卫星上,比如中法合作的SVOM多波段天文卫星、爱因斯坦探针(EP)卫星,以及规划中的大型国际合作空间天文台 “增强型X射线时变与偏振空间天文台(eXTP)”。除了迅速地转发天文卫星探测到的信号,北斗短报文也可以用来从地面向卫星发送指令,使得卫星能够更快地对重要天文事件开展观测。
 
而这仅仅是北斗卫星的第一代短报文系统,未来的短报文系统会更强大,传递的天文信号会更快、更多,在探索宇宙中也将会起到越来越重要的作用。



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