脈衝星試驗衛星發射成功，它能達到10米精度嗎？
阿盟說
撰文：秦昰嵩
責編：寒凌旭
審校：鄭永春
一、什麼是脈衝星？
脈衝星的發現
脈衝星是20世紀60年代四大天文發現之一。脈衝星研究一直是天文學界研究的熱門之一，相關研究先後兩次獲得「諾貝爾物理學獎」。一次是發現脈衝星（Hewish，1974），另一次是發現脈衝雙星系統，並因此間接驗證了廣義相對論預言的引力輻射（Taylor，1993）。
那麼，什麼是脈衝星呢？
早在1934年就有科學家指出，大質量恆星死亡時會發生超新星爆發，然後可能會遺留一個極其緻密的天體 ——中子星。脈衝星就是中子星的一種。
1967年，英國劍橋新建造了一台射電望遠鏡——「行星際閃爍陣列（Interplanetary Scintillation Array ）」，這是一種新型望遠鏡，它的作用是觀測「行星際閃爍」現象，即天體發出的均勻射電波，在透過太陽風后變得不均勻，使遙遠的星體看起來成了「閃爍」的射電源。整個裝置不能移動，只能依靠各天區的周日運動進入望遠鏡的視場，進行逐條掃描。
行星際閃爍陣列
1967年7月，這台射電望遠鏡正式投入使用，觀測波長為3.7米。用望遠鏡觀測，並擔任繁重記錄處理任務的，是休伊什教授的女博士研究生喬絲琳·貝爾。在觀測過程中，細心的貝爾女士發現了一系列奇怪的脈衝，這些脈衝的時間間距精確相等。貝爾立刻把這個消息報告給導師休伊什。
休伊什認為，可能是受到地球上某種電磁波的影響。但第二天同一時間，比前一天提前約4分鐘（這種提前顯然是由於地球運動導致的），也是在同一天區，那個神秘的脈衝信號再次出現。這種特殊的射電天體，周期性地發出射電脈衝，周期為1.3373011秒，且十分穩定。這再一次證明，這個奇怪信號不是來自於地球，確實來自地球之外的太空。
喬瑟琳·貝爾
貝爾發現第一顆脈衝星的數據記錄紙
這是不是外星人向我們發出的文明信號呢？剛開始，貝爾也以為是「小綠人」外星人向地球發來的信號。她將其發現的第一顆脈衝星命名為「小綠人1號」，隨後，她和其他天文學家們發現了越來越多的「小綠人」，因此確認這是一種全新的天體——脈衝星（Pulsar）。
1974年，這項新發現獲得了諾貝爾物理獎。諾貝爾獎頒給了休伊什，以獎勵他所領導的研究小組發現了脈衝星。令人遺憾的是，脈衝星的直接發現者，喬絲琳·貝爾卻不在獲獎者之列。事實上，在脈衝星的發現中，起關鍵作用的應該是貝爾嚴謹的科學態度和極度細心的觀測。
如何發出脈衝
脈衝星
脈衝星具有短而穩定的脈衝周期。所謂脈衝，就是像人的脈搏一樣，依次不停地出現短促的無線電信號。例如，貝爾發現的第一顆脈衝星，每兩次脈衝之間的間隔時間是1.337秒，其他脈衝間隔還有短至0.0014秒（源於PSR J1748-2446）的，最長的間隔也不過11.765735秒（源於PSR J1841-0456）。那麼，這樣有規則的脈衝究竟是怎樣產生的呢？
要發出像脈衝星那樣的電磁信號，需要很強的磁場。而只有體積非常小、質量非常大的中子星，它的磁場才足夠強。中子星的半徑一般為10km，而質量卻與太陽相當。可想而知，中子星的密度大得驚人。中子星的密度為每立方厘米8×1013克至2×1015克之間，即每立方厘米的質量為8千萬到20億噸之巨！是水的密度的一百萬億倍。
而脈衝的形成是由於脈衝星的高速自轉，就像我們乘坐輪船在海里航行時看到的燈塔一樣。設想一座燈塔總是亮著，且在不停地有規則運動，燈塔每轉一圈，由它窗口射出的燈光就射到我們的船上一次。不斷旋轉，在我們看來，燈塔的光就連續地一明一滅。脈衝星也是一樣，當它每自轉一周，掃過我們的地球，我們就接收到一次它發射的電磁波，於是就形成一次次的脈衝。這就是「燈塔效應」。脈衝的周期其實就是脈衝星的自轉周期。
脈衝星的燈塔模型
從前面我們已經知道，脈衝星的自轉周期很短，一般為1毫秒到10秒的量級，且周期極其穩定，周期變化率達10-19（兩脈衝信號的間隔之差到小數點後19位才會出現變化）。這就使脈衝星成為了太空中一個非常準確的天然時鐘。
二、什麼是脈衝星導航？
精確的脈衝周期信號有何作用
在地球大氣層外的飛行器（如宇宙飛船、深空探測器等），可以利用脈衝星的脈衝信號實現自主導航。那麼，有小夥伴可能就要問了，為什麼不利用地球上的設備進行導航呢？
那是因為，宇宙飛船（如飛往外太空）和深空探測器（如飛往火星等其他星球）在太空中與地球的距離太過遙遠。例如，在火星軌道上，探測器或宇宙飛船與地球間通信會有200至1000秒延遲，因此如果想要變軌或遇到什麼突髮狀況，從指令下發，到飛行器做出響應，就會有幾百秒的滯後，這時，飛行器做出什麼動作也都太晚了。這還只是在火星軌道，如果在更遠的地方，時間延遲會更久。因此，需要飛行器自主進行導航。另一方面，飛行器離地球越遠，從飛行器上看去，地球軌道上的衛星和地球就越接近一個點，而導航要求至少有三個點才能測出目標的具體位置，僅有一個點是不行的。
而茫茫的宇宙中，分布廣泛的脈衝星就成為了最有力的候選者。
又有小夥伴可能要問了，宇宙中這麼多發出無線電信號的天體，為什麼偏偏選擇脈衝星呢？是因為它能發出極其穩定的脈衝信號么？
沒錯！
無論是大航海時代通過觀星來導航，還是現代的無線電導航，都需要精確的時間信號。
例如，地球上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，只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，那麼就說明此地在倫敦東邊30度的地方。所以導航的關鍵核心，就是要解決時間測量問題。
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。
現在大家出門，手機一開，打開導航軟體，接收到GPS衛星或我國自行研製的北斗導航衛星的信號，經過軟體的測算，再輔以其他定位方式，就能把自己的精確位置顯示在地圖上了。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脈衝信號到達太陽系質心和航天器的時間差來測定的。
GPS導航衛星不斷地向地面下發導航信號，用戶接收機系統需要計算出用戶的三維坐標X、Y、Z，由於用戶的時鐘與衛星系統的時鐘不同步，所以還需要計算出衛星系統與用戶接收機的時間差T，然後用4個方程解出這4個未知數，當然，至少需要4顆衛星，才能知道用戶的具體位置了。
與GPS導航類似，基於脈衝星的飛行器自主導航定位的步驟具體為：
1、飛行器上的探測器接收到脈衝星發來的射電光子，光子計數器獲得脈衝信號和相位信息，系統計算出脈衝到達飛行器的時間；
2、系統調用脈衝星模型資料庫，對脈衝到達飛行器的時間，進行各種效應造成的延遲改正和誤差修正，換算得到在太陽系質心坐標系中的脈衝到達時間；
3、將此脈衝到達的時間與預報到達的時間進行對比，得到時間差；
4、由於多普勒效應，飛行器遠離脈衝星時，脈衝到達時間間隔就會增加，反之，脈衝到達時間間隔就會減小。結合多顆脈衝星，系統可以計算出飛行器相對脈衝星的速度，進而推知飛行器自身的速度了；相對於太陽系質心來說，飛行器離脈衝星越遠，飛行器的脈衝到達時間就會比太陽系質心的脈衝到時間推遲，反之，飛行器離脈衝星越近，這個時間就會提前。系統就可以根據此來推算出飛行器自身的與太陽系質心的相對位置了；用於導航的脈衝星越多，最終得到的位置就越精確。
當前，民用衛星導航定位精度為10米，脈衝星導航的理論精度也能夠達到10米水平。
脈衝星導航原理（SSBC是Solar System BaryCenter太陽系質心的縮寫）
為何導航只選擇X射線脈衝星？
脈衝星幾乎在全波段（從射電、可見光到X射線）都有電磁輻射，而脈衝星導航的候選源只選擇X射線脈衝星，這是為什麼呢？
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了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，脈衝星在其他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。而25米級的天線至少要幾十噸，要想把這麼大口徑的天線送入太空，成本實在太過高昂。
而X射線屬於高能光子，集中了脈衝星絕大部分輻射能量，易於採用小型化設備探測和進行信號處理，使其應用於航天器成為可能，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，因此只能在地球大氣層外的空間才能觀測到。所以，脈衝星導航系統不能直接對地面進行導航，而是為地球大氣層外飛行的各種衛星和深空探測器進行導航。
脈衝星導航效果圖
三、脈衝星的觀測方式
想要利用脈衝星進行導航，我們首先要獲得脈衝星本身精確的位置信息。獲得候選的X射線脈衝星的各種精確參數，以建立精確的導航星曆表。獲得脈衝星精確位置信息的方式主要有兩種：計時法（Timing）和甚長基線干涉（VLBI）。
脈衝星計時（Pulsar Timing）是測量脈衝星發射脈衝到達地球觀測者所需時間，即脈衝到達時間（pulseTime Of Arrival，簡稱TOA）的方法。脈衝到達時間一般使用射電望遠鏡進行測定。通過研究脈衝到達時間，可以獲得脈衝星的許多信息，例如脈衝星的自轉周期，確定其是否具有雙星結構，是否具有行星系統，脈衝星的位置等。如果脈衝星的位置測量精度達到0.1毫角秒，且脈衝到達時間測量精度為0.1μs，那麼基於X射線脈衝星的航天器軌道確定精度就能夠達到10m，且能精確提取時間和姿態信息，滿足深空探測要求。
脈衝星計時法一般需要單天線進行5到10年，甚至更長時間的數據積累，才能消除各種誤差，從而獲得非常精確的結果。
中國科學院雲南天文台位於昆明鳳凰山的40米口徑射電望遠鏡
VLBI（Very Long Baseline Interferometry甚長基線干涉測量技術）觀測，是利用分布在各地的多個天線聯合觀測，直接測得脈衝星的精確位置。各個天線之間分布距離越遠，測得的位置就越精確。
中國現行的VLBI網
四、脈衝星導航的局限
有一種說法：「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。而最好的氫原子鐘的穩定度只能達到10的負15次方水平，比脈衝星時鐘的穩定度還要低4個量級。」 這種說法，其實混淆了自轉減慢率與短期脈衝計時穩定性和長期脈衝計時穩定性的關係。
脈衝星由於自身輻射能量、星風等效應，會導致自身自轉周期減慢，一般來說，10的19次方秒才會在周期上增加一秒，這是很穩定的。如果人們知道脈衝星自轉減慢率，那麼，計算出的周期和實際觀測到的周期就會很好吻合，有利於提高導航精度。但事實並非這麼簡單，脈衝星的自轉減慢率有時快有時慢，並不是一個穩定的常數，所以需要科學家長年累月的觀測，精確掌握其規律，消除其時快時慢的影響，使數據可靠可用。
雖然脈衝星具有非常嚴格的周期性，但事實上原子鐘的短期穩定性要遠遠優於脈衝星短期計時穩定性，原子鐘的長期穩定性也優於大部分脈衝星的脈衝星長期計時穩定性，而決定導航精度的就是短期計時和長期計時的穩定性。
兩顆最穩定的脈衝星（J0437-4715和B1855+09），只在10年以上的時間尺度上比原子鐘更穩定，而在短時間尺度上遠遠不如原子鐘。這已經通過射電波段觀測結果證實。而且，脈衝星在X射線波段的計時精度通常比射電波段還要差。
導航精度能達到10米是如何計算出來的呢？用X射線探測器的時間解析度30納秒，乘以光速每秒30萬公里，結果差不多是9米。
但是，脈衝星導航的定位精度無論如何也到不了10米，除非達到以下三種條件：（1）探測器的信噪比無窮大，換句話說，儀器已經被理想化；（2）脈衝星的脈衝周期、輪廓形狀等參數絕對穩定（3）科學家完全掌握脈衝星的物理性質和規律，可以很好預測脈衝星的行為。
只有在上述條件達到的情況下，才有可能達到10米理論精度，目前看來，最有可能的也只能達到第三種條件了。也許在將來，我們對脈衝星這種神秘的天體有了更深刻的了解，再來看脈衝星導航會有更新的認識。
可見，新聞報道中所謂「10米導航精度」，是一個不太切實際的目標，目前還不可能實現。
根據估算，考慮到目前X射線脈衝星的脈衝到達時間的穩定性和誤差，最終的定位精度為幾公里到幾十公里，還遠遠達不到人們期望的導航精度。在人類目前能夠到達的空間里，脈衝星導航只能作為傳統導航的一個補充，還遠遠不能獨當一面。
無論如何，還是衷心希望脈衝星導航的後續研究工作順利開展，為以後的脈衝星導航能夠實際應用打下堅實基礎。
畢竟，在人類走向星辰大海的征途中需要一座「燈塔」！
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