脈沖星導(dǎo)航地圖標(biāo)注科學(xué)家要重構(gòu)時(shí)空基準(zhǔn)

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，人們的出行日益依賴衛(wèi)星導(dǎo)航。GPS導(dǎo)航家喻戶曉，北斗導(dǎo)航也日益完善，可是你聽說過脈沖星導(dǎo)航嗎？
沒錯(cuò)，就是離我們千萬光年之遙的脈沖星！雖然遙遠(yuǎn)而又陌生，只要加以科學(xué)利用，它們就可以給人造地球衛(wèi)星和宇宙飛船提供導(dǎo)航，甚至開啟人類星際之旅哦?，F(xiàn)在，中國(guó)的科研人員正在嘗試把這個(gè)狂想變成現(xiàn)實(shí)。
10月8日恰逢中國(guó)航天事業(yè)創(chuàng)建60周年。記者從中國(guó)空間技術(shù)研究院獲悉，中國(guó)將于11月?lián)駲C(jī)發(fā)射首顆脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星（XPNAV－1），實(shí)測(cè)脈沖星發(fā)射的X射線信號(hào)，嘗試驗(yàn)證脈沖星導(dǎo)航技術(shù)體制的可行性。
據(jù)中國(guó)空間技術(shù)研究院脈沖星導(dǎo)航衛(wèi)星科學(xué)任務(wù)系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師帥平研究員介紹，恒星的一生也像人一樣，經(jīng)歷從孕育誕生，到成長(zhǎng)成熟，以及最終衰老死亡的整個(gè)過程。大體上說來，恒星死亡后的遺骸可以分為三類：白矮星、中子星和黑洞。 脈沖星就是高速自轉(zhuǎn)的中子星，具有極其穩(wěn)定的周期性，其穩(wěn)定度比目前最穩(wěn)定的氫原子鐘還要高1萬倍以上，被譽(yù)為自然界中最穩(wěn)定的天文時(shí)鐘，使之成為人類在宇宙中航行的燈塔。帥平說。
脈沖星的典型半徑僅有10公里，其質(zhì)量卻在1.44倍至3.2倍太陽(yáng)質(zhì)量之間，是除黑洞外密度最大的天體。每立方厘米的脈沖星質(zhì)量達(dá)到1億噸，要用1000艘百萬噸級(jí)的巨輪才能拖動(dòng)。
脈沖星的自轉(zhuǎn)軸與磁極軸之間有一個(gè)夾角，兩個(gè)磁極各有一個(gè)輻射波束。當(dāng)星體自轉(zhuǎn)且磁極波束掃過安裝在地面或航天器上的探測(cè)設(shè)備時(shí)，探測(cè)設(shè)備就能夠接收到一個(gè)脈沖信號(hào)。脈沖星具有良好的周期穩(wěn)定性，其穩(wěn)定度達(dá)到10的負(fù)19次方。
10的負(fù)19次方是什么概念呢？就是兩個(gè)脈沖信號(hào)點(diǎn)之間的周期差值，只有在小數(shù)點(diǎn)后面第19位才會(huì)出現(xiàn)變化。帥平解釋說，目前國(guó)際時(shí)間基準(zhǔn)是原子時(shí)系統(tǒng)，最好的氫原子鐘的穩(wěn)定度只能達(dá)到10的負(fù)15次方水平，比脈沖星時(shí)鐘的穩(wěn)定度還要低4個(gè)量級(jí)。
這就好像把原來的時(shí)間尺子刻度加密到1／10000，刻度更細(xì)密了，我們就能量得更精確、看得更細(xì)致。帥平說。
可是，導(dǎo)航和時(shí)間精準(zhǔn)不精準(zhǔn)有什么關(guān)系呢？
事實(shí)上，無論是最早出現(xiàn)的地文導(dǎo)航，還是大航海時(shí)代的天文導(dǎo)航，還是現(xiàn)代的無線電導(dǎo)航，都需要時(shí)間。
例如，所處位置的經(jīng)度測(cè)量就得依賴于時(shí)間測(cè)量。眾所周知，地球每24小時(shí)自轉(zhuǎn)一周，也就是360度，每小時(shí)就相當(dāng)于經(jīng)度15度。所以，只要知道兩地的時(shí)間差，就可以知道兩者之間的經(jīng)度差了。如果某地的正午12點(diǎn)正好是倫敦的上午10點(diǎn)，那么就說明此地在倫敦東邊30度的地方。所以，導(dǎo)航的核心就是要解決時(shí)間測(cè)量問題。
帥平介紹說，在無線電導(dǎo)航中，時(shí)間測(cè)量是基本觀測(cè)量，根據(jù)信號(hào)傳播時(shí)間來計(jì)算兩者之間的距離。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種天基的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，采用單向達(dá)到時(shí)間測(cè)量距離。脈沖星導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理極為相似，其觀測(cè)距離是利用脈沖星發(fā)射的同一個(gè)X射線脈沖信號(hào)到達(dá)太陽(yáng)系質(zhì)心和航天器的時(shí)間差來測(cè)定的。當(dāng)前，衛(wèi)星導(dǎo)航地圖標(biāo)注定位精度為10米，脈沖星導(dǎo)航的最終精度也能夠達(dá)到10米水平。
脈沖星在射電、紅外、可見光、紫外、X射線或伽馬（ ）射線等電磁波段發(fā)射信號(hào)。為什么要選擇X射線脈沖星來探索組建導(dǎo)航系統(tǒng)呢？
事實(shí)上，早在1974年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家就首次提出基于脈沖星射電信號(hào)的航天器自主軌道確定方法。然而，這一方法缺陷明顯，其中最大的問題是，脈沖星在射電頻段信號(hào)極其微弱，需要至少25米口徑的天線才能探測(cè)到。這么大口徑的天線有好幾噸重，放到衛(wèi)星上，衛(wèi)星都被壓扁了。帥平說。
對(duì)于紅外、可見光和紫外脈沖星來說，由于數(shù)量稀少，光度較低，要求較大口徑的望遠(yuǎn)鏡以及較高的指向精度和信號(hào)處理技術(shù)，也不宜用于航天器自主導(dǎo)航。
X射線屬于高能光子，集中了脈沖星絕大部分輻射能量，易于小型化設(shè)備探測(cè)和信號(hào)處理，使其應(yīng)用于航天器成為可能。帥平說，脈沖星導(dǎo)航就是利用脈沖星發(fā)射的X射線信號(hào)作為天然信標(biāo)，引導(dǎo)航天器在宇宙空間自由航行的。
不過，X射線難于穿透地球稠密的大氣層，因此只能在地球大氣層外空間才能觀測(cè)到。所以，脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)不能直接對(duì)地面進(jìn)行導(dǎo)航，而是對(duì)近地軌道衛(wèi)星、深空探測(cè)及星際飛行器進(jìn)行導(dǎo)航。
（圖為利用脈沖星的航天器導(dǎo)航。圖片由中國(guó)空間技術(shù)研究院提供。）
帥平指出，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星座衛(wèi)星的長(zhǎng)時(shí)間高精度自主導(dǎo)航，將是脈沖星導(dǎo)航的一個(gè)重要應(yīng)用方面。目前，導(dǎo)航星座本身需要地面控制系統(tǒng)不斷注入信息來支持，不能脫離地面信息而長(zhǎng)時(shí)間獨(dú)立運(yùn)行。
如果導(dǎo)航星座能實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，那么將有效地減輕地面測(cè)控系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，減少測(cè)控站的布設(shè)數(shù)量和地面站至衛(wèi)星的信息注入次數(shù)，降低衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)維費(fèi)用。帥平說，減少導(dǎo)航星座對(duì)地面控制系統(tǒng)的依賴，也能增強(qiáng)系統(tǒng)自主生存能力，具有極其重要的工程應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略研究意義。
他指出，以脈沖星輻射的X射線信號(hào)作為天然信標(biāo)，導(dǎo)航衛(wèi)星可以自主生成導(dǎo)航電文和控制指令，維持星座基本構(gòu)形，不存在星座整體旋轉(zhuǎn)誤差累積問題，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星座長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行。
同時(shí)，導(dǎo)航衛(wèi)星自主導(dǎo)航也是實(shí)現(xiàn)低軌道航天器高精度自主導(dǎo)航的基礎(chǔ)和前提，可以減少低軌道航天器的管理和維持費(fèi)用，帥平說。
目前，已發(fā)現(xiàn)和編目的脈沖星達(dá)到2000多顆，其中約有160多顆脈沖星具有良好的X射線信號(hào)周期穩(wěn)定輻射特性，可以作為導(dǎo)航候選星。
雖然前景振奮人心，脈沖星導(dǎo)航到底行不行？沒有人知道。
盡管上世紀(jì)七十年代就提出關(guān)于脈沖星導(dǎo)航的概念，但是基于現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)到達(dá)時(shí)間測(cè)距思想而提出的X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)問題，也僅是近10年來的事。目前，X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)研究處于關(guān)鍵技術(shù)研究與地面驗(yàn)證階段，即將開展空間飛行試驗(yàn)，實(shí)測(cè)驗(yàn)證其可行性。帥平說。
這一次，中國(guó)不再跟隨美歐的腳步，而要成為第一個(gè)吃螃蟹的人。11月將擇機(jī)發(fā)射的世界上首顆脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星將搭載兩種類型的探測(cè)器載荷：一個(gè)是準(zhǔn)直型微通道板探測(cè)器，探測(cè)面積為2400平方厘米；另一個(gè)是聚焦型探測(cè)器，聚焦鏡頭口徑為17厘米。帥平說。
據(jù)他介紹，這顆衛(wèi)星有三個(gè)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：
第一，上天實(shí)測(cè)兩種不同類型的探測(cè)器性能，同時(shí)利用探測(cè)器研究宇宙的背景噪聲。背景噪聲就像沙子，而脈沖星信號(hào)是他們要尋找的金子。要從沙子里淘出金子來，了解背景噪聲是一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作。
第二，探測(cè)蟹狀星云脈沖星（Crab），解決中國(guó)研制的探測(cè)器看得見脈沖星的問題。早在1054年，宋朝的天文學(xué)家就首次觀測(cè)并記錄了蟹狀星云脈沖星的超新星爆發(fā)，探尋祖先發(fā)現(xiàn)的這顆脈沖星，也將成為中國(guó)X射線脈沖星探測(cè)的歷史性跨越。同時(shí)，還計(jì)劃探測(cè)另外7顆脈沖星，包括4顆脈沖星雙星系統(tǒng)和3顆低流量的脈沖星，并開展相關(guān)拓展試驗(yàn)。
第三，探測(cè)3顆低流量脈沖星。蟹狀星云脈沖星的流量是每秒鐘每平方厘米1.54個(gè)光子，但是低流量脈沖星每秒鐘每平方厘米只有0.001個(gè)光子，探測(cè)難度更大，但是更有希望用于導(dǎo)航。這是因?yàn)榈土髁棵}沖星大量存在，同時(shí)不會(huì)像蟹狀星云脈沖星那樣因?yàn)橹芷谲S變而導(dǎo)致穩(wěn)定度下降。如果能探測(cè)到3顆低流量脈沖星，那么就可以實(shí)測(cè)驗(yàn)證脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的可行性。
接下來，我們打算通過5到10年的努力，探測(cè)26顆脈沖星，把它們的數(shù)據(jù)測(cè)得非常精準(zhǔn)，建立脈沖星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)。帥平說，這26顆脈沖星分布在整個(gè)天球當(dāng)中，距離地球都十分遙遠(yuǎn)，從幾千到幾萬光年不等。
因?yàn)楦黜?xiàng)工作幾乎無先例可循，帥平帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)10年的攻關(guān)研究，突破了探測(cè)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、時(shí)間同步和大尺度導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)。
雖然還不知道結(jié)果會(huì)怎樣，帥平對(duì)未來卻充滿信心。以脈沖星為基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)如果建成了，將是顛覆性的。也許不久的將來，我們的航天器可以長(zhǎng)時(shí)間不需要人來照料，我們對(duì)表的時(shí)間將是脈沖星時(shí)間。