脈衝星導航實驗？你可能想多了

水白羊

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水白羊，2016年7月加入松鼠會，是最年輕的小松鼠。荷蘭Wageningen大學博士生。學的是地球系統，寫的是營養健康。喜歡攝影，喜歡運動，喜歡音樂，喜歡美廚娘。

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寫在前面：

2016年10月13日，脈衝星導航實驗衛星（XPNAV-1）項目召開新聞通氣會，宣布中國將於11月擇機發射全球首顆脈衝星導航實驗衛星。據報道，該實驗衛星將實測脈衝星發射的X射線信號，嘗試驗證脈衝星導航技術體制的可行性，中國科學家將從此重構時空基準。此後掀起了一批媒體報道的熱潮。媒體的報道和網友的熱捧，甚至影響了股市的走向。

然而，對這個項目，也有專家持有不同的意見，更擔心言過其實的報道會讓網友對中國科研成就產生懷疑。10月21日，果殼網科學人曾刊發《脈衝星導航，精度10米？別逗了！ 》，介紹了脈衝星導航的原理。那麼脈衝星導航到底有什麼用？即將發射的XPNAV-1實驗衛星是否真的能夠開啟脈衝星導航的大門，使中國在這一領域中佔據一個極具戰略意義的制高點？我就此事聯繫了7位業內專家，試圖了解他們的見解和意見，但最終，只有三位專家表達了他們的觀點，且其中一位不同意發表。

脈衝星導航是怎麼回事？

衛星導航已經是很多人日常生活中幾乎每天都會用到的出行服務。不管是美國的GPS導航系統，還是中國的北斗導航系統，都要通過接收導航衛星的無線電信號來實現定位與導航。

導航衛星要在天上晝夜不停地連續發射無線電信號，傳遞衛星的時間和位置信息。地面上的接收機通過這些信息就能解析出當前與這顆衛星的相對位置。不過，我們所處的是一個三維的世界，只有同時知道經度、緯度，和高度才能知道我們在某個時刻所處的準確位置。

中國科學院上海天文台的趙銘研究員解釋說，通過衛星定位的過程就像是解多元一次方程——有3個未知數，就需要至少3個方程來求解，也就是需要同時接收至少3顆不同的導航衛星發來的信息。導航衛星越多，定位就越精準。這些導航衛星組成的「星陣」有個專門的名字，叫做「導航星座」。我們的地球處在這個導航星座當中，所以在地面上無論走到哪裡，只要沒有信號遮擋，就能夠通過導航星座中的衛星實現定位。

我們在地面上出行需要導航，衛星和航天飛船這樣的飛行器在天上運行同樣也需要導航。

雖然這些飛行器的運行軌道都是預先計算好的，但是，進入太空之後，實際運行受很多複雜因素的影響，可能會偏離事先設計的狀態，需要實時進行調整。而進行調整的前提，就是通過導航系統，確定飛行器真實的位置、運動方向和速度等參數。

目前，對這些飛行器的導航主要是依靠地面測控，利用三台放置在不同地點的雷達，分別、同時測量飛行器相對每台雷達的位置和速度，就能夠通過「解方程」計算出飛行器在宇宙空間中的三維位置和速度。雷達的數量越多，位置越分散，定位的精度就越好。

利用地面多台雷達給飛船導航.

這也是為什麼中國會派出好幾艘航天測控船，在大洋中布陣來測控衛星和飛船的運行——把盡量多的雷達分布在盡量廣的區域里，提高定位的精度。這種地面測控的方式能夠實時地對地球附近的飛行器進行高精度的定位和導航，然而，當飛行器越飛越遠，地球上相隔萬里的雷達相對於飛行器來說就慢慢「匯聚」在了一個點上，定位的精度也就大打折扣了。

趙銘說，目前的飛行器飛到土星附近的時候，地面測控網的定位就已經只有幾百千米的精度了。所以，為了滿足遠距離星際旅行的導航需求，在無法依賴地面導航系統的情況下，人們將目光瞄向了脈衝星。

脈衝星導航跟GPS衛星導航的原理類似。脈衝星是恆星演化到晚期的產物，與導航衛星相似的是，脈衝星也在晝夜不停的連續發射著脈衝信號。

這些脈衝信號的周期性非常穩定，使得脈衝星就像是散布在宇宙中、相距上千光年的「導航衛星」，把廣闊的宇宙空間都包在了一個巨大的「脈衝星導航星座」里，宇宙飛船不管飛到哪都能接收到來自不同方向的「導航衛星信號」。

因此，從理論上說，運行中的飛行器如果能夠精確的測量至少3顆脈衝星發出的脈衝信號到達飛行器的時間，同時結合軌道運動規律，就能夠推測出飛行器的位置、速度和方向等信息，從而擺脫地面控制系統，實現飛船自身的定位和導航。

理論上，利用三顆以上脈衝星，就可能進行深空星際旅行的導航

脈衝星導航系統好用嗎？

雖然從理論上來講，以脈衝星組成的導航星座能夠利用脈衝星非常穩定的脈衝信號來實現自主導航，然而，至少目前看來，這套系統並不好用。中國科學院高能物理研究所張雙南研究員說，「主要是還有一系列關於脈衝星的天體物理問題還沒有解決。」

脈衝星的信號本身就是個問題。GPS衛星信號是人工編製的代碼，收到一組，我們就能夠準確的解析其中所包含的信息。脈衝星的信號是天然形成的，雖然穩定，卻是真真正正的「天書」，必須通過長期的觀測和紀錄，找到每一個需要利用的脈衝星信號的規律，才能利用它們來進行定位與導航。

趙銘認為，最大的問題是脈衝星的脈衝信號非常微弱。在已經觀測到的所有脈衝星里，來自蟹狀星雲脈衝星的信號最強。「用1平方米的接收器，每秒能接收到上千個光子」，趙銘說，「其他的脈衝星信號強的最多也只是蟹狀星雲脈衝星的千分之一，或者更低。就算這些脈衝星每毫秒發射一個脈衝，我們每秒鐘最多也只能接收到1個光子。」如果用GPS導航衛星的信號做個類比，就相當於導航衛星發射了一長串時間位置信息，我們只隨機收到了其中的一個字母。

因此，需要先通過大量的觀測還原出脈衝星發出的「完整信號」，然後才能從信號中推算出飛行器的位置和速度信息。「需要幾個小時甚至更長時間才能積累觀測到足夠的光子得到一個完整的脈衝星信號。要通過三顆以上的脈衝星實現定位需要的時間就更久了」，趙銘說，「如果用脈衝星導航去月球的話，可能剛給了一個導航信號，飛船就已經飛過頭了！ 所以，脈衝星導航的時間精度並不適用於近地導航，更無法取代或者改善GPS或北斗系統對地面活動的導航功能。」

事實上，美國人最早提出可以用幾個脈衝星組成一個星座來進行導航這個想法的時候，目的就是為了實現遠距離的深空星際旅行。張雙南說，「在太陽系內深空飛行的巡航階段利用脈衝星有可能提供輔助或者備用的導航信息，但是其精度不會好於目前已有的導航系統和導航技術，比如深空導航系統和光學導航技術。」

10月13日，在脈衝星導航實驗衛星（XPNAV-1）的項目發布會上，項目負責人表示，脈衝星導航系統最終可以達到的10米導航精度。對此，兩位專家認為，根據目前所掌握的有關脈衝星的天體物理理論，可能實現的導航精度能達到幾千米，甚至幾十千米都非常困難，這是國際脈衝星導航界的共識。雖然近年的工作表明，如果我們對於脈衝星的天體物理理論的研究取得進一步突破，略好於千米級的導航精度是有可能實現的，然而，對於是否能更精確，不要說10米，就是突破100米的精度，「根據現有的脈衝星天體物理理論，這不可能做到。」

接收器的質量也是個問題。趙銘說，「1平方米的接收器在世界上已經是很大的了，有1噸重。飛行器需要接收至少來自3顆脈衝星的信號才能夠實現定位和導航，也就需要有3個接收器同時工作」。即便可以利用1台接收器輪流對3顆脈衝星進行觀察，這也意味著要給飛行器增加1噸的額外重量。對於航天飛行器來說，這可不是個小數字。要知道，神舟載人飛船總重也不過8噸左右。

利用脈衝星進行星際旅行的導航，還很遙遠。

XPNAV-1與脈衝星導航

中國是世界上脈衝星導航研究最為活躍的國家之一。研究人員在脈衝星導航理論、方法和應用方面做了大量深入、細緻的工作，對脈衝星信號探測設備的研製工作也在近幾年中從無到有，實現了很大的跨越。然而，國外相關領域的研究已經有了幾十年的歷史，積累了大量的數據，這在中國目前還是空白。應該說，中國的脈衝星導航研究領域，還只是起步階段，與國際水平相比，還比較落後。

趙銘與張雙南認為，從XPNAV-1所公布的數據來看，它所搭載的2400平方厘米探測器只能觀測到來自蟹狀星雲脈衝星的脈衝信號。如果運行極好，也有可能看到2-3顆暗一些的脈衝星。但國際上對這些脈衝星早已積累了海量的空間觀測數據，XPNAV-1不可能提供新的有關這些脈衝星的可用信息。

「檢驗探測器是需要的，但XPNAV-1的工作跟導航沒有直接關係，不能說是脈衝星導航實驗衛星，更不能說是首顆」，趙銘說。

「實現導航的主要問題，並不是需要XPNAV-1這樣低水平的觀測儀器，而是要獲得以前沒有獲得過的新的數據，進一步研究和理解脈衝星的天體物理，這是極為重要的。而XPNAV-1並不能實現這樣的目標」，張雙南說。

據悉，中國剛剛發射的天宮二號空間實驗室上面的儀器就對蟹狀星雲脈衝星進行了探測並且正在開展新的天體物理研究，近期和未來還會有性能更好的空間脈衝星探測儀器發射運行。

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