脈衝星導航，這事兒靠譜嗎？

科技 09-20

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脈衝星導航靠譜嗎？

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導航在我們的生活中是無處不在的，我們最熟的導航方式是各種「地圖」：高德地圖，百度地圖，谷歌地圖等，其實質就是衛星導航。但是你們知道飛船在太空中是怎麼導航的嘛？今天我們就為大家介紹一種飛船導航方式——脈衝星導航。

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脈衝星為誰導航？

導航是指按照預先的計劃和規定將運動體從起始位置及時、安全、高效地引導到達目的地的過程。所謂運動體，是指車輛、艦船、飛機和航天器等可移動的人造物體，以及從人類本身擴展到其它生物體的活動行為。完整的導航過程包括路徑規劃、當前位置、航跡偏差和偏差修正4個方面的內容。從狹義上講，將測定運動體位置、速度、時間和姿態等參數的方法和技術統稱為導航。

衛星導航是通過三球定位原理對地面目標物體進行精確定位的。而在航海中，船隻也需要知道自己所在的位置、航向、航速，這樣才可以估計剩餘的航行時間、修正方向，避免在大海中迷途。同樣，航天飛行器也需要導航，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。脈衝星輻射的X射線信號恰恰能夠為航天器提供自主導航信息，就能成為宇宙中航行的燈塔。

脈衝星導航是不能直接為地面用戶提供服務的，脈衝星導航就是以脈衝星輻射的X射線光子作為天然信標，航天器自主確定軌道、時間以及姿態參數，並引導航天器沿著設計的軌道飛向目標軌道或目標天體的過程叫做X射線脈衝星導航(XPNAV)。由於脈衝星輻射的X射線光子不能穿透地球稠密大氣層，因此脈衝星導航實際上是針對航天器的自主導航，能夠為宇宙飛行的航天器以及無稠密大氣的行星表面巡遊提供導航服務，而不能直接為地面用戶提供服務，所以，脈衝星是宇宙航行的燈塔。

脈衝星到底是個啥？

1967年，英國劍橋大學博士貝爾（S.J.Bell）在行星際閃爍的觀測研究中偶然地發現一個時隱時現的射電脈衝源，其周期非常穩定，每隔1.3373s記錄一次脈衝信號，並取名脈衝星。脈衝星是大質量的恆星演化而來的高速旋轉的中子星，具有極其穩定的周期，被譽為自然界中最穩定的天文時鐘。這些中子星上發出的具有方向性的光束，如同探照燈一樣隨著其自轉而不斷地掃過地球，由此地球上的望遠鏡收到了一個個的脈衝信號人們形象地把這種機制稱為「燈塔模型」。脈衝星在不僅天文學學，天體物理和宇宙學研究中佔據重要的地位，而且在高能物理學、空間應用科學和時頻科學研究中也具有潛在的應用價值。

脈衝星發現者：貝爾博士

世界上第一份脈衝星記錄手稿

「

脈衝星導航的基本原理

脈衝星距離地球有上千光年的距離，廣泛地分布在銀河系的各個方向。科學家設想，飛船離某顆脈衝星越近，接收到它的脈衝信號的時間就會越提前。相反地，飛船離某顆脈衝星越遠，脈衝信號的到達時間就會被推遲。據此人們可以計算出飛船相對於脈衝星的位置；與此同時，當飛船向著某顆脈衝星飛行時，由於多普勒效應，飛船觀測到的脈衝星發出脈衝的間隔將由於多普勒效應而減小；當飛船背離某顆脈衝星飛行時，飛船觀測到的這顆脈衝星發出的脈衝間隔就會增加。與衛星導航類似，理論上，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。據此，可以綜合多顆脈衝星的脈衝到達時間間隔的變化來推導出飛船運動的速度，以此實現飛船自身的定位和導航。

脈衝星導航原理圖

但是脈衝星導航也有他自身的一些局限性，理想的脈衝星發出周期穩定的脈衝信號。由於太陽系質心與脈衝星之間的相對運動速度恆定不變，因此每一個脈衝達到太陽系質心的間隔都是恆定的。航天器處於太陽系質心坐標系中不同位置時，同一個脈衝達到航天器和到達太陽系質心的時間會不一樣；如果航天器朝向脈衝星方向運動，脈衝間隔會縮短，反之，則會變長。通過分析航天器接收到的（不同方向）脈衝星脈衝信號的特點，就可以得到航天器在太陽系質心坐標系之中的三維位置（或運動軌道）。由於脈衝星的X射線脈衝信號非常弱，不可能像GPS或者北斗一樣實現瞬時的導航需要觀測很長時間（如1000秒），才能得到一個有足夠高信噪比的脈衝輪廓，因此脈衝星導航需要結合航天器的軌道模型，才能進行導航（定軌）。

「

科學家們的爭論

2016年10月，中國空間技術研究院召開新聞發布會，準備在11月發射一顆XPNAV-1衛星。在新聞發布會上介紹說，該衛星是「世界首顆」「脈衝星導航」實驗衛星，發射上天之後，將開展「驗證基於X射線脈衝星的航天器自主導航技術的可行性」；有了這顆衛星，「中國不在跟隨美歐的腳步，而要成為『第一個吃螃蟹的人』」。在新聞發布會上，宣稱「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」。注意，就是這個10米的精度宣揚，引發了一場學術爭論。

反對方代表徐星於10月22日發表了一片題為《脈衝星導航，精度10米？開啟新時代？你逗我？！》的文章，駁斥了航天五院對於脈衝星導航精度10米的宣傳。主要觀點如下：

XPNAV-1衛星項目種，關於脈衝星導航能有幾公里到幾十公里的精度就很好了，10米，絕對不可能。

航天五院的脈衝星導航項目存在「目標虛幻、機理不清、應用不明」的問題。

徐星

與此同時，中科院的數位科學家都對此事發表了自己的看法。中科院上海天文台的趙銘認為，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。

趙銘

「用1平方米的接收器，每秒能接收到上千個光子。

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。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。」

趙銘

「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，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！」

中科院高能物理所的張雙南認為：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。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。

XPNAV-1衛星系統的總設計師帥平，撰寫了題為《脈衝星導航最終精度可達10米，沒有功夫逗你玩！》的文章進行反擊。在這篇文章里，帥平從「什麼是導航？什麼是脈衝星導航」開始，著重闡釋了「為什麼說脈衝星導航最終精度可達10米？」這個學術問題。結論有兩個：

在一系列很嚴苛的條件下，「脈衝星導航精度就可以達到10米」。

「脈衝星導航到底行不行，目前誰也不知道。因此，我們才要發射試驗衛星，從解決探測器的問題入手，進而驗證脈衝星導航系統技術體制的可行性，後續還需要做大量的研究工作。」

帥平

帥平的文章上線當天，徐星和上海天文台研究員趙銘兩位科學家再一次針鋒相對地向帥平提出了質疑。趙銘在文章《實事求是地說，它只是一顆X射線脈衝星計時觀測實驗衛星》當中，再一次從技術角度解釋了為什麼XPNAV-1根本不能進行脈衝星導航實驗，為什麼帥平在文章中證明10米精度時用到的證據是不成立的。並舉了一個例子說明XPNAV-1：「1970年我國成功發射第一顆人造地球衛星，那麼如果我們只是因為這顆衛星能夠為火星探測打下最初的基礎，就把它宣稱為是火星探測實驗衛星，並號稱是世界首顆，能這麼吹嗎？」徐星的文章《脈衝星導航實驗衛星，這是用納稅人多少個億搭建起來的「虛構幻景」？》更不客氣，不僅援引帥平的文章逐一進行反駁，指出以「虛構」一顆「完美的」脈衝星為基礎，搭建起脈衝星導航的「幻景」。

一個嚴肅的結論

脈衝星導航到底行不行，目前誰也不知道

（尷尬臉）。

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