中国将于11月发射全球首颗脉冲星导航试验卫星

　　【观察者网综合】在移动互联网时代，从打车到找房子、租单车，通过手机等设备，我们的生活日益依赖卫星导航定位技术，这也使GPS和北斗的名称家喻户晓。可是你听说过脉冲星导航吗？据中新网10月13日报道，我国将于11月发射全世界首颗脉冲星导航试验卫星（XPNAV-1），实测脉冲星发射的X射线信号，尝试验证脉冲星导航技术的可行性。一旦这项技术得到应用，脉冲星导航卫星可以为近地轨道、深空探测和星际飞行航天器提供自主导航信息服务，那时我国各类空间飞行器将可以摆脱对地面的依赖，而且可获得比目前精确度高1万倍的导航数据。

脉冲星为航天器导航想象图（资料图）

　　恒星“死亡”造就高速旋转的脉冲星

　　X射线脉冲星因非常稳定，有“宇宙灯塔”之称，但是它却与恒星的“死亡”有关。“恒星的一生也像人一样，经历从孕育诞生，到成长成熟，并最终衰老死亡的整个过程。大体上说来，恒星死亡后的遗骸可以分为三类：白矮星、中子星和黑洞”，中国空间技术研究院脉冲星导航卫星科学任务系统总设计师帅平介绍说。

　　脉冲星属于中子星，典型半径仅有10千米，其质量却是太阳的1.44倍至3.2倍。每立方厘米脉冲星的质量高达10亿吨，要用1000艘百万吨级的巨轮才能拖动。可以说，脉冲星是除黑洞以外密度最大的天体。

　　脉冲星被誉为自然界里最稳定的天文时钟

　　脉冲星“运动不止”，自转周期在1.4毫秒至8.5秒间，相当于每秒旋转上千次，半径小、质量大、高速自转，堪称是“永远不倒的陀螺”。

　　脉冲星的自转轴与磁极轴之间有一个夹角，两个磁极各有一个辐射波束，而磁极波束就像“灯塔”发出的光束一样，当脉冲星自转且磁极波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时，探测设备就能够接收到一个脉冲讯号，再根据现代卫星导航的时间测距理论，就可以提供时间、速度、姿态等信息。

　　“脉冲星就是高速自转的中子星，具有极其稳定的周期性，其稳定度达到10的负19次方，比目前最稳定的氢原子钟还要高1万倍以上，被誉为自然界里最稳定的天文时钟，甚至可被称为人类在宇宙中航行的灯塔”，帅平介绍说。

　　“10的负19次方是什么概念呢？就是两个脉冲讯号点之间的周期差值，只有在小数点后面第19位才会出现变化”，帅平解释说。目前国际时间基准是原子时系统，最好的氢原子钟的稳定度只能达到10的负15次方水平，比脉冲星时钟的稳定度还要低4个量级。“这就好像把原来的时间尺子刻度加密到110000，刻度更细密了，我们就能量得更精确、看得更细致”，帅平说。

　　可是，导航和时间精准不精准有什么关系呢？

　　事实上，无论是最早出现的地文导航，还是大航海时代的天文导航，还是现代的无线电导航，都需要时间。例如，所处位置的经度测量就得依赖于时间测量。众所周知，地球每24小时自转一周，也就是360度，每小时就相当于经度15度。所以，只要知道两地的时间差，就可以知道两者之间的经度差了。如果某地的正午12点正好是伦敦的上午10点，那么就说明此地在伦敦东边30度的地方。所以，导航的核心就是要解决时间测量问题。

　　在无线电导航中，时间测量是基本观测量，根据信号传播时间来计算两者之间的距离。卫星导航系统是一种天基的无线电导航系统，采用单向达到时间测量距离。脉冲星导航与卫星导航定位原理极为相似，其观测距离是利用脉冲星发射的同一个X射线脉冲讯号到达太阳系质心和宇宙飞船的时间差来测定的。当前，卫星导航定位精度为10米，脉冲星导航的最终精度也能够达到10米水平。

　　与以地球质心为时空基准点的卫星导航相比，脉冲星导航以太阳系质心为时空基准点，以脉冲星发射信号为天然信标——这既解决了导航卫星的寿命限制，也将减少航天器对地面站的依赖。

　　选择X射线脉冲星的原因

　　脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线或伽马（γ）射线等电磁波段发射信号。为什么要选择X射线脉冲星来探索组建导航系统呢？

　　事实上，早在1974年，美国国家航天总署（NASA）喷射推进实验室的科学家就首次提出基于脉冲星射电信号的宇宙飞船自主轨道确定方法。然而，这一方法缺陷明显，其中最大的问题是，脉冲星在射电频段讯号极其微弱，需要至少25米口径的天线才能探测到。“这么大口径的天线有好几吨重，放到卫星上，卫星都被压扁了”，帅平说。

　　对于红外、可见光和紫外脉冲星来说，由于数量稀少，光度较低，要求较大口径的望远镜以及较高的指向精度和信号处理技术，也不宜用于宇宙飞船自主导航。

　　“X射线属于高能光子，集中了脉冲星绝大部分辐射能量，易于小型化设备探测和信号处理，使其应用于宇宙飞船成为可能”，帅平说，“脉冲星导航就是利用脉冲星发射的X射线信号作为天然信标，引导宇宙飞船在宇宙空间自由航行的”。

　　不过，X射线难于穿透地球稠密的大气层，因此只能在地球大气层外空间才能观测到。所以，脉冲星导航系统不能直接对地面进行导航，而是对近地轨道卫星、深空探测及星际飞行器进行导航。

　　脉冲星可以使导航卫星网摆脱对地面的依赖

　　实现导航卫星网的长时间高精度自主导航，将是脉冲星导航的一个重要应用方面。目前，导航卫星网本身需要地面控制系统不断注入信息来支持，不能脱离地面信息而长时间独立运行。而以脉冲星辐射的X射线信号作为天然信标，导航卫星可以自主生成导航电文和控制指令，维持导航卫星网基本构形，不存在导航卫星网整体旋转误差累积问题，从而实现导航星座长时间自主运行。

　　“如果导航卫星网能实现自主导航，那么将有效地减轻地面测控系统的工作负担，减少测控站的布设数量和地面站至卫星的信息注入次数，降低卫星导航系统的建设和长期运维费用”，帅平说，“减少导航卫星网对地面控制系统的依赖，也能增强系统自主生存能力，具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义”。

　　目前，已发现和编入目录的脉冲星达到2000多颗，其中约有160多颗脉冲星具有良好的X射线信号周期稳定辐射特性，可以作为导航候选星。

　　中国的脉冲星导航试验卫星为全人类探路

　　虽然前景振奋人心，脉冲星导航到底行不行？没有人知道。“尽管上世纪七十年代就提出关于脉冲星导航的概念，但是基于现代卫星导航系统到达时间测距思想而提出的X射线脉冲星导航技术问题，也仅是近10年来的事。目前，X射线脉冲星导航技术研究处于关键技术研究与地面验证阶段，即将开展空间飞行试验，实测验证其可行性”，帅平说。

　　美国在2004年率先提出脉冲星导航计划。几乎同时，中国航天专家也意识到脉冲星导航是航天“跨代”发展的颠覆性技术。2016年3月，已有10年攻关基础的航天科技集团五院获脉冲星导航专用试验卫星立项批复。世界上第一颗量子通讯试验卫星“墨子号”进行在轨测试（资料图）

　　继8月16日我国发射世界上第一颗量子通讯试验卫星“墨子号”之后，即将在11月发射的脉冲星导航试验卫星也是人类在这个领域的首次尝试。

　　脉冲星导航试验卫星的三大难题

　　“11月将择机发射的世界上首颗脉冲星导航试验卫星将搭载两种类型的探测器载荷：一个是准直型微通道板探测器，探测面积为2400平方厘米；另一个是聚焦型探测器，聚焦镜头口径为17厘米”帅平说。这颗总重仅240公斤的卫星，将要上天解决三大难题。

　　第一，该卫星携带两种脉冲星探测器，准直型微通道板探测器以2400平方厘米的有效探测面积见长；掠入射聚焦型探测器有口径17厘米的聚焦镜头，效率更高。上天实测两种不同类型的探测器性能，同时利用探测器研究宇宙的背景噪声。背景噪声就像沙子，而脉冲星讯号是他们要寻找的金子。要从沙子里淘出金子来，了解背景噪声是一项基础性工作。“如果发射升空后遥测信号正常，高能射线打在探测器上有响应，就实现了目标”，帅平说。此前中国科学家从未真正“看见”脉冲星。若两款国产探测器见效，未来将被做成“导航仪”嵌入其他卫星。

　　第二，探测蟹状星云脉冲星，解决中国研制的探测器“测得准”脉冲星的问题。早在1054年，宋朝的天文学家就首次观测并记录了蟹状星云脉冲星的超新星爆发，探寻祖先发现的这颗脉冲星，也将成为中国X射线脉冲星探测的历史性跨越。与祖先隔空“对话”、同观“灯塔”，让研究者觉得意义非凡。同时，还计划探测另外7颗脉冲星，包括4颗脉冲星双星系统和3颗低流量的脉冲星，并开展相关拓展试验。

　　第三，探测3颗低流量脉冲星。蟹状星云脉冲星的流量是每秒钟每平方厘米1.54个光子，但是低流量脉冲星每秒钟每平方厘米只有0.001个光子，探测难度更大，但是更有希望用于导航。这是因为低流量脉冲星大量存在，同时不会像蟹状星云脉冲星那样因为周期跃变而导致稳定度下降。如果能探测到3颗低流量脉冲星，那么就可以实测验证脉冲星导航技术的可行性。

　　另外，科学家们还想借此验证，在广义相对论里时空相连，大尺度的高精度导航还能否实现的问题。

　　研制团队平均年龄不到31岁

　　伴随这颗试验卫星的研制路，平均年龄不到31岁的研制团队收获颇丰，共申请了51项国家发明专利、11件软件著作权等。薛力军举例说，中国微小卫星设计建造水平也进入新的阶段，比如综合电子组件一台单机功能相当于常规设计的6—8台设备，卫星载荷平台质量比也超过了48%，为科研工作起到示范作用。

　　在发射之后，帅平及其团队还要做大量工作：研制大面阵数据库型探测器和轻型化导航型探测器；构建若干颗低轨道卫星组成的空间基准星座；构建满足工程应用要求的脉冲星导航数据库；构建天地一体的脉冲星时间基准系统。

　　“这是值得我们托付终身的事业”，帅平说，引领航天技术创新发展的根本源泉是原始的基础理论创新工作，同时也争取在发射试验卫星后5—10年内开展工程应用。

　　“接下来，我们打算通过5到10年的努力，探测26颗脉冲星，把它们的数据测得非常精准，建立脉冲星导航数据库”，帅平说，这26颗脉冲星分布在整个天球当中，距离地球都十分遥远，从几千到几万光年不等。

　　因为各项工作几乎无先例可循，帅平带领的研究团队历时10年的攻关研究，突破了探测器、数据库、时间同步和大尺度导航等关键技术。

　　虽然还不知道结果会怎样，帅平对未来却充满信心：“以脉冲星为基准的时间系统如果建成了，将是颠覆性的。也许不久的将来，我们的宇宙飞船可以长时间不需要人来照料，我们对表的时间将是脉冲星时间”。

　　（观察者网综合中新网、新华网、中国青年报报道）

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