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(gòu)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(dá)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(zhuǎn)的中子星。脈沖星是一種具有超高溫、超高壓、超高密度、超強(qiáng)磁場、超強(qiáng)電場和超強(qiáng)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(dá)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(qiáng)大，強(qiáng)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(zhǔn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)周期變化率達(dá)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(diǎn)之間的周期差值，只有在小數(shù)點(diǎn)后面第19位才會出現(xiàn)變化。而目前國際時間基準(zhǔn)是原子時系統(tǒng)，最好的氫原子鐘的穩(wěn)定度只能達(dá)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(xì)密了，因而也就更準(zhǔn)了。因此，脈沖星被譽(yù)為自然界最精準(zhǔn)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(xué)T.Hewish教授及其學(xué)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?？茖W(xué)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(dǎo)航？

A:研究發(fā)現(xiàn)，脈沖星的自轉(zhuǎn)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(dāng)星體自轉(zhuǎn)且磁極波束掃過安裝地面或航天器上的探測設(shè)備時，探測設(shè)備就能接收到一個脈沖信號。根據(jù)這個發(fā)現(xiàn)，科學(xué)研究認(rèn)為，可以利用脈沖星這個自然界中最精準(zhǔn)的天文時鐘為航天器導(dǎo)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(dǎo)航候選星。所謂脈沖星導(dǎo)航就是利用脈沖星發(fā)射的X射線信號作為天然信標(biāo)，為航天器導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)不能直接對地面進(jìn)行導(dǎo)航，只能對近地軌道衛(wèi)星、深空探測及星際飛行器進(jìn)行導(dǎo)航。

當(dāng)然，并不是所有的脈沖星都能用于導(dǎo)航。早在1974年的時候，美國航宇局（NASA）噴氣推進(jìn)實驗室的科學(xué)家就提出用脈沖星實現(xiàn)航天器自主導(dǎo)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(yuǎn)鏡以及較高的指向精度和信號處理技術(shù)，因此，也不宜用于航天器自主導(dǎo)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(shè)備就可以進(jìn)行探測和信號處理，這就使X射線脈沖星應(yīng)用于航天器導(dǎo)航成為可能。

衛(wèi)星外形圖

Q：脈沖星導(dǎo)航的原理是什么？

A:脈沖星導(dǎo)航的基本原理是：以同一個脈沖信號到達(dá)太陽系質(zhì)心的時間與到達(dá)航天器的時間差為觀測量，構(gòu)造X射線脈沖星導(dǎo)航測量方程：該方程有4個未知數(shù)，包括3個位置坐標(biāo)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(jié)合航天器軌道動力學(xué)模型，求解4個未知數(shù)，以實現(xiàn)航天器自主導(dǎo)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(dá)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(biāo)，從而，可以實現(xiàn)導(dǎo)航星座長時間自主穩(wěn)定運(yùn)行。

整星太陽翼展開實物圖

Q：為什么科學(xué)家這么希望航天器可以自主導(dǎo)航？

A:航天器自主導(dǎo)航具有極其重要的工程應(yīng)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(shù)發(fā)展的動力和目標(biāo)。實現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航，一方面可以減輕地面測控系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，減少測控站的布設(shè)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(shè)和長期運(yùn)行維持費(fèi)用；另一方面，減少航天器對地面測控系統(tǒng)的依賴，增強(qiáng)系統(tǒng)自主生存能力。因此，航天器自主導(dǎo)航被譽(yù)為人類繼人造衛(wèi)星和載人航天后，第三次航天技術(shù)革命。然而，目前航天器仍然依賴地面測控系統(tǒng)來完成導(dǎo)航任務(wù)，尚未實現(xiàn)真正意義上的自主導(dǎo)航，而脈沖星導(dǎo)航是實現(xiàn)航天器長時間高精度自主導(dǎo)航最有希望取得突破的技術(shù)。

Q：現(xiàn)在的導(dǎo)航技術(shù)這么發(fā)達(dá)，難道還不夠用么？

A:我們知道，人類導(dǎo)航經(jīng)歷了地文導(dǎo)航、天文導(dǎo)航和現(xiàn)代無線電導(dǎo)航三次跨越，但無論哪種導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)航信息服務(wù)，已成為重要的空間基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，日益成為人們工作和生活所必需的一部分。然而，導(dǎo)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(dú)立運(yùn)行，也不能修正星座整體旋轉(zhuǎn)誤差、地球自轉(zhuǎn)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(yùn)行。如果導(dǎo)航星座能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航，那么將有效地減輕地面測控系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，減少測控站的布設(shè)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(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)和長期運(yùn)行維持費(fèi)用，并實時監(jiān)測導(dǎo)航信息完好性，減少導(dǎo)航星座對地面控制系統(tǒng)的依賴，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的自主生存能力。

現(xiàn)存的幾大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只能為近地軌道航天器提供導(dǎo)航服務(wù)，對于深空探測和星際飛行任務(wù)則無能為力。在地面建立的深空探測網(wǎng)，其測控信號強(qiáng)度隨距離衰減，這將導(dǎo)致測距誤差不斷增大；采用傳統(tǒng)天文導(dǎo)航方式，導(dǎo)航精度較低、技術(shù)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(dǎo)航與精密控制要求。傳統(tǒng)導(dǎo)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(dǎo)航與精密控制要求。

整星質(zhì)測

Q：X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)真有那么牛？

A:X射線脈沖星是突破導(dǎo)航衛(wèi)星自主導(dǎo)航困境的有效途徑。X射線脈沖星導(dǎo)航是以脈沖星輻射的X射線信號作為外部信息基準(zhǔn)，經(jīng)過相應(yīng)的信號和數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)航衛(wèi)星能夠高精度地進(jìn)行軌道確定、時間同步和姿態(tài)測量，自主生成導(dǎo)航電文和控制指令，維持星座基本構(gòu)形，不存在星座整體旋轉(zhuǎn)誤差累積問題，實現(xiàn)星座長時間自主運(yùn)行。因此，X射線脈沖星為導(dǎo)航衛(wèi)星自主導(dǎo)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(wù)的航天器來講，X射線脈沖星導(dǎo)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(dǎo)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(dá)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(zhǔn)下實現(xiàn)的自主導(dǎo)航技術(shù)。如果脈沖星的慣性角位置精度達(dá)到0.1毫角秒，且脈沖星計時模型精度、時間轉(zhuǎn)換模型精度和脈沖到達(dá)時間測量精度均能夠達(dá)到100納秒，那么航天器軌道確定和授時精度就可以分別達(dá)到10米和1納秒；同時，姿態(tài)測量精度也能達(dá)到角秒量級，能夠滿足深空探測和星際飛行器無縫導(dǎo)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(dǎo)航是以脈沖星發(fā)射的X射線信號為天然信標(biāo)，在太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系下，通過測量脈沖到達(dá)時間，航天器自主測定導(dǎo)航參數(shù)的過程。衛(wèi)星導(dǎo)航是以導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的微波測距碼信號為信標(biāo)，在地球質(zhì)心坐標(biāo)系下，通過測量測距碼信號到達(dá)時間，用戶接收機(jī)測定導(dǎo)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(zhǔn)的時鐘授時，兩者是完全不同的。脈沖星導(dǎo)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(yùn)行等航天器自主導(dǎo)航的特征，最終的定位精度與目前衛(wèi)星導(dǎo)航一樣可以達(dá)到10米的水平，且可以有效節(jié)約資源，極大增強(qiáng)系統(tǒng)自主生存的能力，具有傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù)無法比擬的性能優(yōu)勢。因此，脈沖星導(dǎo)航極有可能是真正意義上的航天器自主導(dǎo)航的最佳選擇，脈沖星極有希望成為推動衛(wèi)星導(dǎo)航劃時代革命的“大明星”。