“叮咚，你的宇宙信息急件到了”
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撰文 | 劉紅薇（中國(guó)科學(xué)院高能所）
責(zé)編 | 王一葦
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北斗衛(wèi)星潤(rùn)物細(xì)無(wú)聲地影響著我們生活的方方面面，除了提供傳統(tǒng)意義上的導(dǎo)航服務(wù)以外，還在個(gè)人位置服務(wù)、氣象應(yīng)用、道路交通管理、海運(yùn)和水運(yùn)、航空運(yùn)輸、應(yīng)急救援和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)等方面有比較好的應(yīng)用。比如用北斗衛(wèi)星放牧，只要在牛羊脖子上套個(gè)用芯片、綁帶和太陽(yáng)能電池板組成的項(xiàng)圈，就可以精準(zhǔn)定位牛羊位置，找到走丟的牛羊。
而北斗的功能不僅可以 “接地氣”，也可以 “高大上”。它能大大加速太空中天文觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳遞，有助于天文學(xué)家開(kāi)展進(jìn)一步研究。不久前，中國(guó)的天文學(xué)家們就收到了北斗衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)來(lái)的“宇宙信息急件”。
2017年10月16號(hào)，美國(guó)的LIGO和歐洲Virgo兩個(gè)引力波探測(cè)天文臺(tái)宣布，2017年8月17日人類首次探測(cè)到了雙中子星并合引力波事件。全球的很多望遠(yuǎn)鏡首次觀測(cè)到了產(chǎn)生引力波暴的天體發(fā)出的光，也就是引力波電磁對(duì)應(yīng)體的信號(hào)。當(dāng)時(shí)我國(guó)首顆空間X射線天文衛(wèi)星慧眼也成功監(jiān)測(cè)了該事件，獲得了重要的科學(xué)數(shù)據(jù)，可是這些重要的數(shù)據(jù)只有在衛(wèi)星幾個(gè)小時(shí)后通過(guò)我國(guó)境內(nèi)的地面站上空時(shí)才能下達(dá)，科學(xué)家才能進(jìn)一步分析處理數(shù)據(jù)，而這已經(jīng)是衛(wèi)星使用地面站優(yōu)先級(jí)最高的情況下，下傳數(shù)據(jù)最快的速度了；對(duì)于轉(zhuǎn)瞬即逝的引力波之光，這樣的滯后操作，有可能會(huì)喪失科學(xué)發(fā)現(xiàn)的機(jī)會(huì)：如果不能及時(shí)得到數(shù)據(jù)，就無(wú)法引導(dǎo)科學(xué)家們進(jìn)行后隨觀測(cè)。
慧眼衛(wèi)星只有在經(jīng)過(guò)我國(guó)境內(nèi)地面站上空時(shí)，才能傳遞觀測(cè)信號(hào)，所以從衛(wèi)星探測(cè)到信號(hào)到傳遞到數(shù)據(jù)中心往往需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間 圖源：中科院高能所
北斗衛(wèi)星獨(dú)有的 “短報(bào)文” 功能這時(shí)就派上了用場(chǎng)。平時(shí)我們用手機(jī)發(fā)短信，手機(jī)要通過(guò)基站提供服務(wù)。而 “北斗” 就是太空中的基站，向地面發(fā)送的 “短報(bào)文” 就是來(lái)自太空的短信。北斗三號(hào)的24顆地球中圓軌道（MEO）衛(wèi)星、3顆傾斜地球同步軌道（IGSO）衛(wèi)星和3顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星構(gòu)成了全球網(wǎng)絡(luò)，任何一個(gè)地方傳送的數(shù)據(jù)都可以通過(guò)這一網(wǎng)絡(luò)相互傳遞，再傳到中國(guó)國(guó)內(nèi)的地面站。全球的導(dǎo)航系統(tǒng)中，包括大家熟知的全球定位系統(tǒng)（global positioning system, GPS），全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（global navigation satellite system, GNSS）等，只有我國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou navigation satellite system, BDS），有 “短報(bào)文” 功能。
通常情況下，衛(wèi)星上探測(cè)得到的天文現(xiàn)象和天文數(shù)據(jù)，只有通過(guò)地面的接收天線下傳到地面后，地面人員才能進(jìn)一步分析處理，需耗時(shí)幾個(gè)小時(shí)甚至更久。而衛(wèi)星采用北斗 “短報(bào)文” 功能后，能以 “短信息” 的形式，將在太空中獲得的重要爆發(fā)信號(hào) “準(zhǔn)實(shí)時(shí)” 下傳到北斗地面站，即延時(shí)僅約1分鐘，約等于實(shí)時(shí)下傳。而且，北斗約10多秒就可發(fā)送一條短報(bào)文。
今年年初，中國(guó)科學(xué)家們第一次成功應(yīng)用了北斗短報(bào)文功能。2020年12月10日，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了引力波暴高能電磁對(duì)應(yīng)體全天監(jiān)測(cè)器（GECAM）衛(wèi)星，它又叫 “懷柔一號(hào)”，包含兩顆微小衛(wèi)星。它們上天后逐漸分開(kāi)，分別處于地球的兩端，可以全天候無(wú)死角地監(jiān)測(cè)整個(gè)天區(qū)，很好地捕捉宇宙中稍縱即逝的光，即引力波高能電磁對(duì)應(yīng)體事件。
GECAM的兩顆衛(wèi)星不管誰(shuí)接收到信號(hào)，都會(huì)立即通知就近的北斗衛(wèi)星，也會(huì)傳給離地面站最近的衛(wèi)星發(fā)布。神秘的天文信號(hào)往往轉(zhuǎn)瞬即逝，如果使用了北斗 “短報(bào)文” 功能，從衛(wèi)星探測(cè)到信號(hào)到科學(xué)家接收到數(shù)據(jù)僅僅需要不到1分鐘的時(shí)間，這就為我們探測(cè)這些信號(hào)以及引導(dǎo)全球后隨觀測(cè)贏得了寶貴的時(shí)間。
由于短報(bào)文每條數(shù)據(jù)量非常小，有效信息只有506比特，因此短報(bào)文的功能是把最關(guān)鍵、最重要的信息快速傳下來(lái)，更精細(xì)的信息還是需要通過(guò)數(shù)傳通道下來(lái)。
GECAM衛(wèi)星發(fā)射至今僅僅2個(gè)月的時(shí)間，還處于在軌測(cè)試階段，已經(jīng)通過(guò)北斗 “短報(bào)文” 功能向地面發(fā)送了12個(gè)伽馬射線暴、9個(gè)磁星爆發(fā)，以及多個(gè)其他類型的天體活動(dòng)的信息，平均延時(shí)只有20秒左右，并發(fā)布了10個(gè)GCN（Gamma-ray Burst Coordinates Network，GCN，國(guó)際伽馬暴協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)）通告和1個(gè)Atel（The Astronomer's Telegram，天文快報(bào)）通告。GCN和Atel都是天文學(xué)家常用的信息發(fā)布網(wǎng)絡(luò)，用于向全球共享天體活動(dòng)信息，引導(dǎo)隨后觀測(cè)。這是人類第一次使用導(dǎo)航衛(wèi)星傳遞宇宙中的神秘信號(hào)，開(kāi)啟了北斗系統(tǒng)服務(wù)于空間科學(xué)研究的新時(shí)代。
GECAM衛(wèi)星使用北斗“短報(bào)文”功能傳遞信號(hào) 圖源：中科院高能所
GECAM是第一個(gè)吃螃蟹的衛(wèi)星，但絕不是最后一個(gè)，它將會(huì)廣泛應(yīng)用到我國(guó)后續(xù)的天文衛(wèi)星上，比如中法合作的SVOM多波段天文衛(wèi)星、愛(ài)因斯坦探針（EP）衛(wèi)星，以及規(guī)劃中的大型國(guó)際合作空間天文臺(tái) “增強(qiáng)型X射線時(shí)變與偏振空間天文臺(tái)（eXTP）”。除了迅速地轉(zhuǎn)發(fā)天文衛(wèi)星探測(cè)到的信號(hào)，北斗短報(bào)文也可以用來(lái)從地面向衛(wèi)星發(fā)送指令，使得衛(wèi)星能夠更快地對(duì)重要天文事件開(kāi)展觀測(cè)。
而這僅僅是北斗衛(wèi)星的第一代短報(bào)文系統(tǒng)，未來(lái)的短報(bào)文系統(tǒng)會(huì)更強(qiáng)大，傳遞的天文信號(hào)會(huì)更快、更多，在探索宇宙中也將會(huì)起到越來(lái)越重要的作用。
制版編輯 | 盧卡斯
