脉冲星导航：中国科学家要重构时空基准

航天 · 2016-11-3 15:39:16

图为脉冲星“灯塔”模型。图片由中国空间技术研究院提供。　　新华社北京10月9日电（记者全晓书喻菲）在移动互联网时代，人们的出行日益依赖卫星导航。GPS导航家喻户晓，北斗导航也日益完善，可是你听说过脉冲星导航吗？　　没错，就是离我们千万光年之遥的脉冲星！虽然遥远而又陌生，只要加以科学利用，它们就可以给人造地球卫星和宇宙飞船提供导航，甚至开启人类星际之旅哦。现在，中国的科研人员正在尝试把这个“狂想”变成现实。　　10月8日恰逢中国航天事业创建60周年。记者从中国空间技术研究院获悉，中国将于11月择机发射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体制的可行性。　　据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研究员介绍，恒星的一生也像人一样，经历从孕育诞生，到成长成熟，以及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。　　“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，被誉为自然界中最稳定的天文时钟，使之成为人类在宇宙中航行的灯塔。”帅平说。

图为脉冲星磁极信号辐射。图片由中国空间技术研究院提供。　　自然界最精准的天文时钟　　脉冲星的典型半径仅有10公里，其质量却在1.44倍至3.2倍太阳质量之间，是除黑洞外密度最大的天体。每立方厘米的脉冲星质量达到1亿吨，要用1000艘百万吨级的巨轮才能拖动。　　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。当星体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信号。脉冲星具有良好的周期稳定性，其稳定度达到10的负19次方。　　“10的负19次方是什么概念呢？就是两个脉冲信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1／10000，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。　　帅平介绍说，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射线脉冲信号到达太阳系质心和航天器的时间差来测定的。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。

图为利用脉冲星的航天器导航。图片由中国空间技术研究院提供。　　X射线脉冲星的独特优势　　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，美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室的科学家就首次提出基于脉冲星射电信号的航天器自主轨道确定方法。然而，这一方法缺陷明显，其中最大的问题是，脉冲星在射电频段信号极其微弱，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，也不宜用于航天器自主导航。　　“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，使其应用于航天器成为可能。”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，引导航天器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。　　帅平指出，实现导航星座卫星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，导航星座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。　　“如果导航星座能实现自主导航，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，“减少导航星座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。”　　他指出，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，维持星座基本构形，不存在星座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。　　同时，导航卫星自主导航也是实现低轨道航天器高精度自主导航的基础和前提，可以减少低轨道航天器的管理和维持费用，帅平说。　　目前，已发现和编目的脉冲星达到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。　　未来的时间可能是脉冲星时间　　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。　　这一次，中国不再跟随美欧的脚步，而要成为“第一个吃螃蟹的人”。“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。　　据他介绍，这颗卫星有三个试验目标：　　第一，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，而脉冲星信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。　　第二，探测蟹状星云脉冲星（Crab），解决中国研制的探测器“看得见”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。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。　　“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，我们的航天器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。”

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