近日，記者從中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院獲悉，全球首顆脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星（XPNAV－1）將于11月?lián)駲C(jī)發(fā)射，將實(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。
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”。如果，以脈沖星為基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)建成了，將是顛覆性的。也許不久的將來，我們的航天器可以不需要人來照料，我們對(duì)表的時(shí)間將是脈沖星時(shí)間。
脈沖星就是高速自轉(zhuǎn)的中子星
據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)公司五院脈沖星導(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“燈塔”模型
脈沖星就是高速自轉(zhuǎn)的中子星，它的典型半徑僅有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（目前國(guó)際時(shí)間基準(zhǔn)是原子時(shí)系統(tǒng)），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。
導(dǎo)航的核心就是要解決時(shí)間測(cè)量問題
導(dǎo)航和時(shí)間精準(zhǔn)不精準(zhǔn)有什么關(guān)系？
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。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。
脈沖星磁極信號(hào)輻射
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X射線脈沖信號(hào)到達(dá)太陽系質(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。
X射線脈沖星的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)
脈沖星在射電、紅外、可見光、紫外、X射線或伽馬（γ）射線等電磁波段發(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。”
為什么選擇X射線脈沖星來探索組建導(dǎo)航系統(tǒng)呢？
★ 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；
★ 紅外、可見光和紫外——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)；
★ 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。
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。
實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航星座衛(wèi)星的自主導(dǎo)航
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。
利用脈沖星的航天器導(dǎo)航
“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。
以脈沖星為基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)將是顛覆性的
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。
“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)。
對(duì)未來，帥平充滿信心。“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。”
