脈沖星試驗衛(wèi)星Q&A

脈沖星試驗衛(wèi)星Q&A

探測器載荷三維圖

Q：什么是脈沖星？

A:宇宙是由星羅棋布的以恒星為核心的小星系組成的。恒星是構成星系的基本單元，是宇宙中最主要的天體。目前，在銀河系中已發(fā)現(xiàn)的恒星多達3000億顆左右。恒星并不是永恒的，有誕生也有死亡，死亡后的恒星會變成白矮星、中子星或黑洞，然后繼續(xù)演化，最終又形成了新的恒星。

那么什么是脈沖星呢？所謂脈沖星就是高速自轉的中子星。脈沖星是一種具有超高溫、超高壓、超高密度、超強磁場、超強電場和超強引力場等極端物理條件的天體，其典型半徑約為10千米，質(zhì)量卻在1.44倍至3.2倍太陽質(zhì)量之間，每立方厘米的脈沖星質(zhì)量可以達到1億噸，是除黑洞外密度最大的天體，要用1000艘百萬噸級的巨輪才能拖動它；脈沖星的引力非常強大，強大到光只有成為拋物線才能夠掙脫。

Q：為什么說脈沖星是自然界最精準的天文時鐘？

A:脈沖星有個奇異的特性，就是由于它的快速自轉產(chǎn)生周期十分穩(wěn)定的脈沖信號。所謂脈沖就是像人的脈搏一樣，一下一下出現(xiàn)短促的電磁波電信號；脈沖星的自轉周期范圍一般為1.4毫秒～8.5秒，具有極其穩(wěn)定的周期，尤其是毫秒脈沖星的自轉周期變化率達到10-19～10-21。這是一個什么概念呢？簡單說就是兩個脈沖信號點之間的周期差值，只有在小數(shù)點后面第19位才會出現(xiàn)變化。而目前國際時間基準是原子時系統(tǒng)，最好的氫原子鐘的穩(wěn)定度只能達到10-15水平，比脈沖星時鐘的穩(wěn)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，因而也就更準了。因此，脈沖星被譽為自然界最精準的天文時鐘。

Q：X射線脈沖星又是什么？

A:1967年，英國劍橋大學T.Hewish教授及其學生J. Bell博士發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖星。1971年，美國X射線天文衛(wèi)星Uhuru 首次探測到脈沖星輻射的X射線信號。科學家通常把在射電頻段上輻射信號的脈沖星叫做射電脈沖星，把在X射線頻段上輻射信號的脈沖星叫做X射線脈沖星。

Q：為什么要用X射線脈沖星導航？

A:研究發(fā)現(xiàn)，脈沖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地面或航天器上的探測設備時，探測設備就能接收到一個脈沖信號。根據(jù)這個發(fā)現(xiàn)，科學研究認為，可以利用脈沖星這個自然界中最精準的天文時鐘為航天器導航。經(jīng)過探測，在目前已發(fā)現(xiàn)和編目的2000多顆脈沖星中，約有160多顆具有良好的X射線周期輻射特性，可以作為導航候選星。所謂脈沖星導航就是利用脈沖星發(fā)射的X射線信號作為天然信標，為航天器導航。

不過，我們居住的地球，被大氣層包裹著，X射線難于穿透地球稠密的大氣層，因此，脈沖星所發(fā)射的X射線信號，只能在地球大氣層外空間才能觀測到，所以，脈沖星導航系統(tǒng)不能直接對地面進行導航，只能對近地軌道衛(wèi)星、深空探測及星際飛行器進行導航。

當然，并不是所有的脈沖星都能用于導航。早在1974年的時候，美國航宇局（NASA）噴氣推進實驗室的科學家就提出用脈沖星實現(xiàn)航天器自主導航的概念，但發(fā)現(xiàn)這一方法理論上可行，實踐中存在明顯的缺陷，其中最大的問題是，脈沖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，實踐中是不可行的；紅外、可見光和紫外脈沖星數(shù)量稀少，光度又比較低，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，因此，也不宜用于航天器自主導航。而X射線就不一樣了，它屬于高能光子，集中了脈沖星絕大部分輻射能量，只需要用比較小的設備就可以進行探測和信號處理，這就使X射線脈沖星應用于航天器導航成為可能。

衛(wèi)星外形圖

Q：脈沖星導航的原理是什么？

A:脈沖星導航的基本原理是：以同一個脈沖信號到達太陽系質(zhì)心的時間與到達航天器的時間差為觀測量，構造X射線脈沖星導航測量方程：該方程有4個未知數(shù)，包括3個位置坐標分量和1個時鐘偏差量，通過同時探測4顆脈沖星，或每個弧段觀測1顆脈沖星并結合航天器軌道動力學模型，求解4個未知數(shù)，以實現(xiàn)航天器自主導航。也就是說，其觀測距離是利用脈沖星發(fā)射的同一個X射線脈沖信號到達太陽系質(zhì)心和航天器的時間差來測定的。利用脈沖星輻射的X射線信號作為天然信標，從而，可以實現(xiàn)導航星座長時間自主穩(wěn)定運行。

整星太陽翼展開實物圖

Q：為什么科學家這么希望航天器可以自主導航？

A:航天器自主導航具有極其重要的工程應用價值和戰(zhàn)略研究意義，一直是世界各航天大國推動航天技術發(fā)展的動力和目標。實現(xiàn)航天器自主導航，一方面可以減輕地面測控系統(tǒng)的工作負擔，減少測控站的布設數(shù)量和地面站至航天器的信息注入次數(shù)，降低航天器（星座）系統(tǒng)建設和長期運行維持費用；另一方面，減少航天器對地面測控系統(tǒng)的依賴，增強系統(tǒng)自主生存能力。因此，航天器自主導航被譽為人類繼人造衛(wèi)星和載人航天后，第三次航天技術革命。然而，目前航天器仍然依賴地面測控系統(tǒng)來完成導航任務，尚未實現(xiàn)真正意義上的自主導航，而脈沖星導航是實現(xiàn)航天器長時間高精度自主導航最有希望取得突破的技術。

Q：現(xiàn)在的導航技術這么發(fā)達，難道還不夠用么？

A:我們知道，人類導航經(jīng)歷了地文導航、天文導航和現(xiàn)代無線電導航三次跨越，但無論哪種導航都需要時間，時間測量是基本觀測量，根據(jù)信號傳播的時間來計算兩者之間的距離。

以大名鼎鼎的GPS為代表的現(xiàn)代衛(wèi)星導航系統(tǒng)能夠為地球表面和近地空間用戶提供全天候、全天時、高精度導航信息服務，已成為重要的空間基礎設施，廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域，日益成為人們工作和生活所必需的一部分。然而，導航星座本身需要地面控制系統(tǒng)不斷注入信息支持，不能脫離地面信息而獨立運行，也不能修正星座整體旋轉誤差、地球自轉非均勻誤差和極移殘差，誤差隨時間不斷累積，致使星座難于長時間自主運行。如果導航星座能夠實現(xiàn)自主導航，那么將有效地減輕地面測控系統(tǒng)的工作負擔，減少測控站的布設數(shù)量和地面站至衛(wèi)星的信息注入次數(shù)，降低衛(wèi)星導航系統(tǒng)建設和長期運行維持費用，并實時監(jiān)測導航信息完好性，減少導航星座對地面控制系統(tǒng)的依賴，從而增強了系統(tǒng)的自主生存能力。

現(xiàn)存的幾大衛(wèi)星導航系統(tǒng)只能為近地軌道航天器提供導航服務，對于深空探測和星際飛行任務則無能為力。在地面建立的深空探測網(wǎng)，其測控信號強度隨距離衰減，這將導致測距誤差不斷增大；采用傳統(tǒng)天文導航方式，導航精度較低、技術實現(xiàn)難度大，不能滿足深空探測及星際飛行航天器無縫導航與精密控制要求。傳統(tǒng)導航方式及其組合模式都難以滿足深空探測與星際飛行自主導航與精密控制要求。

整星質(zhì)測

Q：X射線脈沖星導航技術真有那么牛？

A:X射線脈沖星是突破導航衛(wèi)星自主導航困境的有效途徑。X射線脈沖星導航是以脈沖星輻射的X射線信號作為外部信息基準，經(jīng)過相應的信號和數(shù)據(jù)處理，導航衛(wèi)星能夠高精度地進行軌道確定、時間同步和姿態(tài)測量，自主生成導航電文和控制指令，維持星座基本構形，不存在星座整體旋轉誤差累積問題，實現(xiàn)星座長時間自主運行。因此，X射線脈沖星為導航衛(wèi)星自主導航提供了一種全新思路和實現(xiàn)途徑。

對于實施深空探測和星際飛行任務的航天器來講，X射線脈沖星導航與GPS系統(tǒng)和地基深空網(wǎng)相比具有其優(yōu)越性。X射線脈沖星導航可以在整個太陽系內(nèi)通過測量來自脈沖星輻射的X射線光子到達時間，確定相對于太陽系質(zhì)心的位置與速度，是在大尺度時空基準下實現(xiàn)的自主導航技術。如果脈沖星的慣性角位置精度達到0.1毫角秒，且脈沖星計時模型精度、時間轉換模型精度和脈沖到達時間測量精度均能夠達到100納秒，那么航天器軌道確定和授時精度就可以分別達到10米和1納秒；同時，姿態(tài)測量精度也能達到角秒量級，能夠滿足深空探測和星際飛行器無縫導航與精密控制需求。

通過上述分析，我們就可以看出，脈沖星導航是以脈沖星發(fā)射的X射線信號為天然信標，在太陽系質(zhì)心坐標系下，通過測量脈沖到達時間，航天器自主測定導航參數(shù)的過程。衛(wèi)星導航是以導航衛(wèi)星發(fā)射的微波測距碼信號為信標，在地球質(zhì)心坐標系下，通過測量測距碼信號到達時間，用戶接收機測定導航參數(shù)的過程。前者是依靠地面授時，而后者是依靠宇宙中最精準的時鐘授時，兩者是完全不同的。脈沖星導航具有信息完備性、實時操作性、不發(fā)信號、不依賴地面站和長時間運行等航天器自主導航的特征，最終的定位精度與目前衛(wèi)星導航一樣可以達到10米的水平，且可以有效節(jié)約資源，極大增強系統(tǒng)自主生存的能力，具有傳統(tǒng)導航技術無法比擬的性能優(yōu)勢。因此，脈沖星導航極有可能是真正意義上的航天器自主導航的最佳選擇，脈沖星極有希望成為推動衛(wèi)星導航劃時代革命的“大明星”。