2016年11月中國將擇機發射世界上首顆脈衝星導航試驗衛星

11月將擇機發射的世界上首顆脈衝星導航試驗衛星

這一次，中國不再跟隨美歐的腳步，而要成為“第一個吃螃蟹的人”。“11月將擇機發射的世界上首顆脈衝星導航試驗衛星將搭載兩種類型的探測器載荷：一個是準直型微通道板探測器，探測麵積為2400平方厘米；另一個是聚焦型探測器，聚焦鏡頭口徑為17厘米。”

脈衝星導航：中國科學家要重構時空基準

新華社北京10月9日電（記者全曉書　喻菲）在移動互聯網時代，人們的出行日益依賴衛星導航。GPS導航家喻戶曉，北鬥導航也日益完善，可是你聽說過脈衝星導航嗎？

沒錯，就是離我們千萬光年之遙的脈衝星！雖然遙遠而又陌生，隻要加以科學利用，它們就可以給人造地球衛星和宇宙飛船提供導航，甚至開啟人類星際之旅哦。現在，中國的科研人員正在嚐試把這個“狂想”變成現實。

10月8日恰逢中國航天事業創建60周年。記者從中國航天科技集團第五研究院獲悉，中國將於11月擇機發射首顆脈衝星導航試驗衛星（XPNAV－1），實測脈衝星發射的X射線信號，嚐試驗證脈衝星導航技術體製的可行性。

據中國航天科技集團第五研究院脈衝星導航衛星科學任務係統總設計師帥平研究員介紹，恒星的一生也像人一樣，經曆從孕育誕生，到成長成熟，以及最終衰老死亡的整個過程。大體上說來，恒星死亡後的遺骸可以分為三類：白矮星、中子星和黑洞。

“脈衝星就是高速自轉的中子星，具有極其穩定的周期性，其穩定度比目前最穩定的氫原子鍾還要高1萬倍以上，被譽為自然界中最穩定的天文時鍾，使之成為人類在宇宙中航行的燈塔。”帥平說。

自然界最精準的天文時鍾

脈衝星的典型半徑僅有10公裏，其質量卻在1.44倍至3.2倍太陽質量之間，是除黑洞外密度最大的天體。每立方厘米的脈衝星質量達到1億噸，要用1000艘百萬噸級的巨輪才能拖動。

脈衝星的自轉軸與磁極軸之間有一個夾角，兩個磁極各有一個輻射波束。當星體自轉且磁極波束掃過安裝在地麵或航天器上的探測設備時，探測設備就能夠接收到一個脈衝信號。脈衝星具有良好的周期穩定性，其穩定度達到10的負19次方。

“10的負19次方是什麽概念呢？就是兩個脈衝信號點之間的周期差值，隻有在小數點後麵第19位才會出現變化。”帥平解釋說，目前國際時間基準是原子時係統，最好的氫原子鍾的穩定度隻能達到10的負15次方水平，比脈衝星時鍾的穩定度還要低4個量級。

“這就好像把原來的時間尺子刻度加密到1／10000，刻度更細密了，我們就能量得更精確、看得更細致。”帥平說。

可是，導航和時間精準不精準有什麽關係呢？

事實上，無論是最早出現的地文導航，還是大航海時代的天文導航，還是現代的無線電導航，都需要時間。

例如，所處位置的經度測量就得依賴於時間測量。眾所周知，地球每24小時自轉一周，也就是360度，每小時就相當於經度15度。所以，隻要知道兩地的時間差，就可以知道兩者之間的經度差了。如果某地的正午12點正好是倫敦的上午10點，那麽就說明此地在倫敦東邊30度的地方。所以，導航的核心就是要解決時間測量問題。

帥平介紹說，在無線電導航中，時間測量是基本觀測量，根據信號傳播時間來計算兩者之間的距離。衛星導航係統是一種天基的無線電導航係統，采用單向達到時間測量距離。脈衝星導航與衛星導航定位原理極為相似，其觀測距離是利用脈衝星發射的同一個X射線脈衝信號到達太陽係質心和航天器的時間差來測定的。當前，衛星導航定位精度為10米，脈衝星導航的最終精度也能夠達到10米水平。

X射線脈衝星的獨特優勢

脈衝星在射電、紅外、可見光、紫外、X射線或伽馬（γ）射線等電磁波段發射信號。為什麽要選擇X射線脈衝星來探索組建導航係統呢？

事實上，早在1974年，美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室的科學家就首次提出基於脈衝星射電信號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，脈衝星在射電頻段信號極其微弱，需要至少25米口徑的天線才能探測到。“這麽大口徑的天線有好幾噸重，放到衛星上，衛星都被壓扁了。”帥平說。

對於紅外、可見光和紫外脈衝星來說，由於數量稀少，光度較低，要求較大口徑的望遠鏡以及較高的指向精度和信號處理技術，也不宜用於航天器自主導航。

“X射線屬於高能光子，集中了脈衝星絕大部分輻射能量，易於小型化設備探測和信號處理，使其應用於航天器成為可能。”帥平說，“脈衝星導航就是利用脈衝星發射的X射線信號作為天然信標，引導航天器在宇宙空間自由航行的。”

不過，X射線難於穿透地球稠密的大氣層，因此隻能在地球大氣層外空間才能觀測到。所以，脈衝星導航係統不能直接對地麵進行導航，而是對近地軌道衛星、深空探測及星際飛行器進行導航。

帥平指出，實現導航星座衛星的長時間高精度自主導航，將是脈衝星導航的一個重要應用方麵。目前，導航星座本身需要地麵控製係統不斷注入信息來支持，不能脫離地麵信息而長時間獨立運行。

“如果導航星座能實現自主導航，那麽將有效地減輕地麵測控係統的工作負擔，減少測控站的布設數量和地麵站至衛星的信息注入次數，降低衛星導航係統的建設和長期運維費用。”帥平說，“減少導航星座對地麵控製係統的依賴，也能增強係統自主生存能力，具有極其重要的工程應用價值和戰略研究意義。”

他指出，以脈衝星輻射的X射線信號作為天然信標，導航衛星可以自主生成導航電文和控製指令，維持星座基本構形，不存在星座整體旋轉誤差累積問題，從而實現導航星座長時間自主運行。

同時，導航衛星自主導航也是實現低軌道航天器高精度自主導航的基礎和前提，可以減少低軌道航天器的管理和維持費用，帥平說。

目前，已發現和編目的脈衝星達到2000多顆，其中約有160多顆脈衝星具有良好的X射線信號周期穩定輻射特性，可以作為導航候選星。

未來的時間可能是脈衝星時間

雖然前景振奮人心，脈衝星導航到底行不行？沒有人知道。

“盡管上世紀七十年代就提出關於脈衝星導航的概念，但是基於現代衛星導航係統到達時間測距思想而提出的X射線脈衝星導航技術問題，也僅是近10年來的事。目前，X射線脈衝星導航技術研究處於關鍵技術研究與地麵驗證階段，即將開展空間飛行試驗，實測驗證其可行性。”帥平說。

這一次，中國不再跟隨美歐的腳步，而要成為“第一個吃螃蟹的人”。“11月將擇機發射的世界上首顆脈衝星導航試驗衛星將搭載兩種類型的探測器載荷：一個是準直型微通道板探測器，探測麵積為2400平方厘米；另一個是聚焦型探測器，聚焦鏡頭口徑為17厘米。”帥平說。

據他介紹，這顆衛星有三個試驗目標：

第一，上天實測兩種不同類型的探測器性能，同時利用探測器研究宇宙的背景噪聲。背景噪聲就像沙子，而脈衝星信號是他們要尋找的金子。要從沙子裏淘出金子來，了解背景噪聲是一項基礎性工作。

第二，探測蟹狀星雲脈衝星（Crab），解決中國研製的探測器“看得見”脈衝星的問題。早在1054年，宋朝的天文學家就首次觀測並記錄了蟹狀星雲脈衝星的超新星爆發，探尋祖先發現的這顆脈衝星，也將成為中國X射線脈衝星探測的曆史性跨越。同時，還計劃探測另外7顆脈衝星，包括4顆脈衝星雙星係統和3顆低流量的脈衝星，並開展相關拓展試驗。

第三，探測3顆低流量脈衝星。蟹狀星雲脈衝星的流量是每秒鍾每平方厘米1.54個光子，但是低流量脈衝星每秒鍾每平方厘米隻有0.001個光子，探測難度更大，但是更有希望用於導航。這是因為低流量脈衝星大量存在，同時不會像蟹狀星雲脈衝星那樣因為周期躍變而導致穩定度下降。如果能探測到3顆低流量脈衝星，那麽就可以實測驗證脈衝星導航技術的可行性。

“接下來，我們打算通過5到10年的努力，探測26顆脈衝星，把它們的數據測得非常精準，建立脈衝星導航數據庫。”帥平說，這26顆脈衝星分布在整個天球當中，距離地球都十分遙遠，從幾千到幾萬光年不等。

因為各項工作幾乎無先例可循，帥平帶領的研究團隊曆時10年的攻關研究，突破了探測器、數據庫、時間同步和大尺度導航等關鍵技術。

雖然還不知道結果會怎樣，帥平對未來卻充滿信心。“以脈衝星為基準的時間係統如果建成了，將是顛覆性的。也許不久的將來，我們的航天器可以長時間不需要人來照料，我們對表的時間將是脈衝星時間。”

帥平：我所學的專業並非是航天專業領域，進入航天有一個曆史過程。我是1991年大學畢業，畢業於武漢測繪科技大學工程測量專業。畢業後，我到我的家鄉貴州六盤水市做水電勘測設計，當時是做野外水電測量工作，做了四年。1993年，我有幸到西昌衛星發射中心，當時是以一個參觀者的身份，到西昌衛星發射中心。那裏也有我測量專業的同行，搞衛星軌道測量的，實際上就是測繪專業的基本能力。我到一個測量站，也是我的校友，當時航天讓我很震撼，是以旁觀者的身份。後來，我上了研究生，專業是地球動力學與大力構造物理學，這個專業和航天也沒有關係；研究範圍從地心到地殼，包括地球的運動過程；我的研究方向是地殼形變，包括地震方麵的工作。

1998年，研究生畢業後，我就到酒泉衛星發射中心。實際上，我第一次以參與者的身份進入航天，這就是在酒泉衛星發射中心。那時候才知道國家的航天事業，是一個大係統協作工程；也了解航天幾個研究院的分布，以及每個研究院所做什麽事。事實上，我從大學畢業一直想做的事，就是我們國家的導航衛星，這是我的一個夢想。我從酒泉出來以後，就考取了航天二院的博士研究生，所學是導航製導與控製專業。但是，真正的衛星研製不是在航天二院，而是航天五院。博士研究生畢業後，我就到航天五院。2003年，到航天五院做博士後研究，也就是航空宇航科學與技術博士後流動站。博士後研究題目是“導航星座優化設計與自主導航技術研究”。這是國內第一個導航星座設計、性能分析和自主導航方麵的研究報告。2003年，我終於從事我一直夢想的研究方向。

現在，我所從事的工作也是導航，隻不過是關於航天器的自主導航，叫脈衝星導航，這是一個全新的研究方向，是世界航天技術前沿的新方向。如果從真正從事涉足航天的時間算起，我有16年進航天部門學習和工作的經曆。

 

2016.09.26年底將發射脈衝星導航專用試驗衛星

記者了解到，今年年底，深圳東方紅或將發射脈衝星導航專用試驗衛星，如成功發射，該衛星將成為中國首顆開展脈衝星X射線在軌探測的衛星係統。

丁強強表示，脈衝星導航專用試驗衛星平台及其配套設備均在深圳研製完成，這也是對開拓一號衛星技術成果的最快體現。

 

2016.08.31世界首顆“脈衝星導航專用試驗衛星”年底發射