航天前沿技術發展的新跨越—訪“脈沖星試驗衛星”工程科學任務系統總設計師帥平

本刊特約記者 梁亞坤 紫曉

航天前沿技術發展的新跨越—訪“脈沖星試驗衛星”工程科學任務系統總設計師帥平

An Interview with Shuai Ping, Chief Designer of XPNAV Satellite

本刊特約記者 梁亞坤 紫曉

2016年11月10日，中國航天科技集團公司所屬中國空間技術研究院研制的首顆“脈沖星試驗衛星”（XPNAV-1）在酒泉發射升空，開展脈沖星導航技術空間飛行試驗研究。脈沖星為什么可以用于航天器自主導航？脈沖星導航將會給航天前沿技術發展帶來哪些顛覆性變革？XPNAV-1衛星工程的實施對航天技術創新發展又有哪些啟示呢？帶著這些問題，本刊特約記者采訪了XPNAV-1衛星工程科學任務系統總設計師、中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室帥平研究員。

記者：脈沖星導航是一個全新的航天前沿技術研究領域，究竟什么是脈沖星，什么又是脈沖星導航呢？

帥平：我們可觀測到的宇宙有數千億個星系，每個星系又是由數千億顆恒星組成的。恒星是構成星系的基本單元，是宇宙中最主要的天體，其一生也像人一樣，經歷從孕育到誕生、成長、成熟、衰老和死亡的整個過程。大體上說來，恒星死亡后的遺骸可以分為三類：中子星、白矮星和黑洞。脈沖星是高速自轉的中子星，其典型半徑僅有10km，質量卻是太陽的1.44～3.2倍，每立方厘米的脈沖星質量達1.0×109t，是除黑洞外密度最大的天體，其引力強大到讓光成為拋物線才能掙脫。

脈沖星的自轉軸與磁極軸之間有一個夾角，兩個磁極各產生一個輻射波束。當星體自轉且磁極波束掃過安裝在地面或航天器上的探測設備時，探測設備就能夠接收到一個脈沖信號。脈沖星在射電、紅外、可見光、紫外、X射線和γ射線等電磁波頻段都產生信號輻射。通常把在射電頻段上輻射信號的脈沖星稱為射電脈沖星，把在X射線頻段上輻射信號的脈沖星稱為X射線脈沖星。X射線屬于高能射線，集中了脈沖星絕大部分輻射能量，易于小型化設備探測與處理，但難于穿過地球稠密大氣層，因此只能在地球大氣層外空間才能觀測到。脈沖星的自轉周期一般為1.4ms～8.5s，且具有良好的周期穩定度，尤其是毫秒脈沖星的周期穩定度是目前最穩定的氫原子鐘的10000倍還多，被譽為自然界最穩定的天文時鐘，使之能夠成為人類在宇宙中航行的燈塔。

脈沖星導航就是以脈沖星輻射的X射線信號作為天然信標，航天器自主測定位置、速度、時間和姿態等導航參數的過程。脈沖星導航是以太陽系質心作為時空基準點。太陽系質心是太陽系的質量中心，也是太陽系中最穩定的點，位于太陽表面附近靠木星一側，太陽及其行星均圍繞該點運動。脈沖星導航與衛星導航的原理相似，二者的基本觀測量都是距離。脈沖星導航的觀測距離是利用同一個X射線脈沖信號到達太陽系質心和航天器的時間差來測定的；衛星導航的觀測距離是利用從導航衛星播發的偽隨機噪聲信號至用戶終端的到達時間來測定的。

記者：實現脈沖星導航工程應用，需要解決哪些科學問題和關鍵技術？

帥平：脈沖星導航需要解決三大科學問題：一是“看得見”問題，即脈沖星探測問題，安裝在航天器平臺上的輕小型探測器能否提取具有足夠信噪比的導航脈沖信號。二是“測得準”問題，即星際航圖構建問題，如何快速構建具有高精度的計時模型、脈沖星角位置和標準輪廓的導航數據庫，解決脈沖星導航的“電子地圖”問題。三是“用得上”問題，即大尺度導航問題，在經典牛頓理論框架下的近地空間導航，三維位置坐標和一維時間坐標相互獨立，坐標系是可以平移的；在廣義相對論理論框架下，時間和位置坐標是相互關聯的，坐標變換是大尺度宇宙空間的四維時空變換。這就是如何實現大尺度宇宙空間的高精度導航問題。

針對三大科學問題，脈沖星導航需要攻克6項關鍵技術，可以歸結為：1套硬件，即X射線探測器；2個實現，即時間保持和自主導航；3項基礎，即數據庫、時空基準和時間轉換。

記者：脈沖星導航與衛星導航有什么區別？實現航天器自主導航有什么重要意義和潛在應用？

帥平：脈沖星導航是以脈沖星發射的X射線信號為天然信標，在太陽系質心坐標系下，通過測量脈沖到達時間，航天器自主測定導航參數的過程；衛星導航是以導航衛星發射的微波測距碼信號為信標，在地球質心坐標系下，通過測量測距碼信號到達時間，用戶接收機測定導航參數的過程。

航天器自主導航具有極其重要的工程應用價值和戰略研究意義，一直是世界各航天大國推動航天技術發展的動力和目標。實現航天器自主導航，一方面可以減輕地面測控系統的工作負擔，減少測控站的布設數量和地面站至航天器的信息注入次數，降低航天器（星座）系統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的依賴，增強系統自主生存能力。然而，目前航天器仍然依賴地面測控系統來完成導航任務，尚未實現真正意義上的自主導航。脈沖星導航是用于航天器的導航，是實現航天器的長時間高精度自主導航最有希望取得突破的技術。

實現航天器長時間高精度自主導航，尤其是導航星座長時間自主運行具有重要的工程價值和戰略研究意義，但這僅是脈沖星導航潛在應用的一個方面。同時，通過脈沖星導航研究，還可以構建天地一體脈沖星時間系統，增強現有的原子時體系；在航天器上產生X射線，拓展空間X射線主動導航與通信能力；脈沖星導航涉及12個一級學科和21個二級學科，促進多科學交叉領域研究。雖然脈沖星導航應用前景振奮人心，但是脈沖星導航技術實現是否可行，誰也不知道。因此，才有必要發射專用試驗衛星，開展脈沖星導航空間飛行試驗驗證。

記者：XPNAV-1衛星工程的科學任務目標是什么？

帥平：XPNAV-1衛星搭載了2種類型的探測器載荷：一是聚焦型探測器，聚焦鏡頭口徑為17cm；另一個是準直型微通道板探測器，探測面積為2400cm2。該衛星工程有3個科學試驗目標：一是實測驗證2種類型的X射線探測器性能，研究空間背景噪聲及探測器響應機制；二是探測蟹狀星云（Crab）脈沖星或脈沖X射線雙星系統，提取脈沖星輪廓，解決用中國研制的探測器“看得見”X射線脈沖星的問題，這是本次空間飛行試驗的核心目標；三是嘗試長時間累積觀測3顆低流量脈沖星，建立試驗型數據庫，探索驗證脈沖星導航系統體制的可行性。

蟹狀星云脈沖星的流量是1.54個光子/（s·cm2），而低流量脈沖星只有0.001個光子/（s·cm2），探測難度更大，但是更有希望用于導航。這是因為低流量脈沖星大量存在，同時不會像蟹狀星云脈沖星那樣因為周期躍變而導致穩定度下降。如果能探測到3顆低流量脈沖星，那么就可以實測驗證脈沖星導航技術的可行性。

記者：發射XPNAV-1衛星，對于推動航天技術原始創新有何種借鑒意義？

帥平：我國正從航天大國向航天強國邁進，原始創新是必由之路。2004年，美國提出脈沖星導航研究計劃，但有些專家認為該項技術風險很大。中國空間技術研究院以嚴謹求實的科學態度和創新研發的管理模式，認識到導航脈沖星導航的重大戰略機遇，同時識別和規避技術風險，自主投入研制一顆低成本脈沖星試驗衛星。2016年11月10日，XPNAV-1衛星發射成功；11月18日，美國《大眾科學》（Popular Science）月刊評論：XPNAV-1是全球第一顆脈沖星導航專項試驗衛星，超越美國航空航天局（NASA）的脈沖星導航計劃，搶先開展空間飛行試驗。同時，NASA空間科學數據協作庫將XPNAV-1衛星納入其中，編號為NSSDCA/COSPAR ID 2016-066A，并設計XPNAV-1衛星專門網頁，填充科學數據和試驗結果。XPNAV-1衛星工程任務的成功實施，提升了我國在該領域的創新能力和國際影響力，具有重要的發展戰略意義。

脈沖星導航系統研究具有技術復雜、實現難度大、多學科交叉和創新性強等特點，是一項長期發展的事業。開展脈沖星導航創新研究，不僅需要科研人員具有研究的興趣和激情，更需要培育一種團隊學術創新研究的氛圍和文化?？蒲袆撔掳?個基本要素：創新的激勵、創新的投入、創新的管理和創新的文化。其中，前3個要素都是外在的、政策性的，在短期內可以保障的；而創新的文化卻是內在的、最核心的，需要長期培育和積累。在“大眾創業，萬眾創新”的時代背景下，中國空間技術研究院也面臨著科研創新的轉型和升級。通過脈沖星導航技術創新研發管理的實施，培育了一種科研創新的文化。自2005年中國空間技術研究院開展脈沖星導航技術研究以來，尤其是最近5年，在上級主管部門的大力支持下，研究團隊刻苦攻關，攻克了探測器、數據庫、時間保持和大尺度導航等關鍵技術，申請發明專利51件，獲得軟件著作權11項，獲得“宇宙燈塔”注冊商標1項，制作脈沖星導航系列科普專題片5部，出版學術論著2部，發表學術論文100余篇，以及發布探測器產品測試標準等，共同構筑了脈沖星導航技術創新的文化，推動航天前沿技術跨越發展。

記者：在此次脈沖星導航空間飛行試驗之后，接下來研究團隊還計劃開展哪些工作？

帥平：此次脈沖星導航飛行試驗僅僅是“萬里長征”邁出的第一步。在上級主管機關的領導和支持下，中國空間技術研究院脈沖星導航研究團隊將聯合國內相關科研院所，大力協同，集智攻關。計劃通過5～10年的努力，研制大面陣數據庫型探測器和輕型化導航型探測器；構建由若干顆衛星組成的空間基準星座；構建滿足工程應用要求的脈沖星導航數據庫；建立天地一體的脈沖星時間基準系統等。脈沖星導航實現技術難度大，創新性強，幾乎無先例可循。因此，這是值得托付一生的事業。“只要我們敢于夢想，我們就能夠實現！”這是脈沖星導航研究團隊的座右銘和誓言。