“脈沖星導航”或許是人類在未來深空探測中最可靠的導航技術之壹。
最近，中國科學院高能物理研究所研究人員利用我國首顆X射線天文衛星“慧眼”，成功開展了X射線脈沖星導航實驗，定位精度達到10公裏之內（3倍標準偏差），達到國際先進水平。
已達到的精度有多高?
當我們離開地球進入宇宙空間，包括GPS、北鬥等衛星導航系統都無法再使用。為此，美國耗巨資建立了“深空探測網”，在地球上相隔等間距建立了3個龐大的天線陣，利用它們來接受遙遠的宇宙飛船發出的微弱信號實現通信及定位，為人類 探索 宇宙作出了重要貢獻。
鄭世界介紹，采用上述技術進行定位，其誤差會隨著與地球距離的增大而增大，平均每增加壹個日地距離（約1.5億公裏），誤差增大10公裏。
“到達木星距離時（與地球的為4—6個日地距離），其誤差將達到數十公裏；對於正在飛離太陽系的旅行者1號、2號來說，其誤差達到了上千公裏。”鄭世界說，“這種技術的另外壹個問題就是通信時間過長：我們和木星之間的單向通信時間至少要30分鐘，而和旅行者壹號的單向通信時間達到17小時！這也就意味著，我們無法對這些飛行器的飛行軌道作出及時的調整。”
而利用脈沖星導航，可以避免這些問題。鄭世界介紹，此次“慧眼”實驗觀測的“宇宙燈塔”——蟹狀星雲脈沖星距離我們有6000光年，利用脈沖星得到的導航誤差不會隨著我們的位置變化而變化。“這樣即使在有壹天，我們真的帶著‘流浪地球’離開太陽系，也能精確地給我們導航。”
此外，鄭世界表示，脈沖星導航技術，可以減少飛行器對地球的依賴，利用星上的人工智能技術就可以作很多自主判斷和操作。
鄭世界介紹，“我們在‘慧眼’衛星上開展的脈沖星導航實驗表明，其定位誤差在10公裏之內，對於木星以外的深空中，已經優於深空網，這意味著脈沖星導航已經可以在深空中得到應用了。”定位精度10公裏（3倍標準偏差）是什麽意思？標準偏差是在科學分析中壹種常用的判斷可信度的方法，3倍標準偏差表示，這個值在99.7%的情況下是可信的。
據悉，2019年5月美國國家航天局（NASA）也表示要將X射線脈沖星導航技術應用到“重返月球計劃”及未來的火星探測計劃中。鄭世界表示，“將來，隨著脈沖星導航精度達到1公裏乃至以下，必然會在火星探測、小行星探測等場景下得到更廣泛的應用。”
什麽樣的脈沖星適合導航?
截至2018年底，澳大利亞天文臺整理並公布了超過2700顆脈沖星，其中還未包括中國“天眼”望遠鏡發現的近100顆脈沖星以及待認證的100多顆脈沖星。
這些脈沖星中，哪些比較適合導航呢？
鄭世界介紹：“在已知的接近3000顆脈沖星中，我們選擇了10顆左右最適合用作導航的‘導航星’。”
“入選條件”之壹是要在X射線波段有較強的脈沖輻射。
鄭世界介紹，脈沖星輻射的信號涵蓋了從射電、紅外、可見光、紫外、X射線、伽馬射線乃至更高能波段。其中X射線波段由於輻射的能量較強、探測設備易於小型化等優點，因此利用X射線波段的脈沖星信號實現導航，是最有可能的導航方式。
“這就需要選取在X射線波段有較強的輻射的脈沖星。”鄭世界表示，目前，在X射線波段有輻射的脈沖星約有200多顆，但它們的脈沖光子流量差別很大。
鄭世界介紹，本次實驗中所選取的蟹狀星雲脈沖星是星空中最亮的“宇宙燈塔”之壹，誕生於公元1054年的壹次超新星爆發，這次爆發在《宋史·天文誌》中有記載。它的脈沖光子流量約0.1個/cm2/s，也就是說當我們使用100cm2的探測器時，每秒鐘可以收到10個脈沖光子。而大多數脈沖星的脈沖光子流量只有它的萬分之壹，同樣的探測器，我們需要等待1000秒才能接收到壹個脈沖光子。
另壹個“入選條件”需要脈沖星具有穩定的周期。鄭世界表示，脈沖星的脈沖周期雖然很精確，但也在逐漸演化，因此我們要求能準確預報它的演化行為。壹般說來“年輕”的脈沖星通常“多變”，有時還會鬧點小脾氣，會發生像地震壹樣“星震”，發生星震之後，這顆脈沖星的周期發生了改變，如果恰好使用這顆脈沖星進行導航，就會造成導航精度出現很大的偏離；“年老”的脈沖星就“沈穩”得多。
他舉例子說，例如已知最穩定的脈沖星PSR J0437-4715，年齡超過10億，穩定度和地球上最好的原子鐘相比擬，也是壹顆非常好的導航脈沖星。另外，脈沖星的周期越短，通過觀測得到的脈沖信號的精度越高。“因此我們主要選擇周期最短的，脈沖信號周期在毫秒量級的脈沖星，作為我們的導航星。”
還有壹個因素是，不同脈沖星輻射出來的脈沖形狀（即脈沖輪廓）各不相同；導航脈沖星更應選擇脈沖輪廓形狀尖銳的脈沖星，這樣導航精度也會提高。
距投入實際應用還有多遠?
2004年，歐空局發布了“基於脈沖星時間信息的航天器導航可行性研究”技術報告。2018年1月，美國NASA宣布在國際空間站上搭載的NICER/SEXTANT項目成功進行了首次實時的在軌脈沖星自主導航實驗。
中國在脈沖星導航方面，此前也已進行大量理論和實驗研究。2016年9月發射的天宮二號空間實驗室，攜帶有“天極”望遠鏡——伽馬暴偏振探測器（POLAR），完成了脈沖星導航的國內首次空間實驗。2016年11月發射的脈沖星試驗星XPNAV-01也開展了脈沖星探測及相關研究。
此次“慧眼”進行的脈沖星導航實驗，進壹步驗證了高能所提出的X射線脈沖星導航算法——“脈沖輪廓顯著性與衛星軌道的關聯分析”，該算法的可行性已在POLAR實驗上得到初步驗證。
在“慧眼”實驗中，研究人員對該算法做了進壹步改進，並將該導航算法分別應用到“慧眼”衛星上3種望遠鏡的觀測數據，結果顯示，均可實現慧眼的自主定位；如果綜合利用所有望遠鏡5天的觀測數據，其定位精度可以達到10公裏（3倍標準偏差），說明“慧眼”的脈沖星導航實驗的精度和NICER/SEXTANT的結果相當。
為了進壹步檢驗該導航算法的可行性與可靠性，研究團隊還進行了充分的理論分析，並選取多種類型的脈沖星進行了模擬驗證，結果顯示該方法對其它導航脈沖星同樣適用，為該算法的實際應用奠定了基礎。
實驗結果發表於學術刊物《天體物理雜誌》（增刊），審稿人認為“慧眼衛星開展的在軌演示驗證是對脈沖星導航發展的重要貢獻”。
鄭世界認為，從目前的實驗進展，到真正投入實際應用，還有兩個關鍵問題需解決：
首先是X射線探測器的小型化和輕量化。鄭世界表示，X射線探測器必須要搭載在空間探測器上才能實現導航服務，而對於空間探測任務來說，每增加壹樣載荷，每增加壹公斤重量，都需要火箭或衛星增加大量的空間和能源。“因此，小型化和輕量化的X射線探測器研制，是未來脈沖星導航大規模應用的關鍵。”
此外，從理論上，還需脈沖星理論的進壹步研究和突破。鄭世界介紹，脈沖星給我們提供的脈沖信號的精確度，決定了最終實現的定位誤差。目前，在所有脈沖星的時間信號中都存在壹些噪聲信號，包括長期的“紅噪聲”和短時間內的“白噪聲”，導致目前的定位誤差存在亞公裏級的理論極限。“只有當我們對脈沖星的研究進壹步深入，了解了這些噪聲的物理機制，才能夠準確預知這些信號，從而進壹步地降低定位誤差，使得脈沖星導航得到更深入的應用。”
科普
脈沖星導航能用於日常生活嗎？
鄭世界介紹，脈沖星導航主要是為在宇宙深空中 探索 的宇宙飛船或探測器提供導航服務的。在地球附近，特別是近地軌道上的飛行器或衛星可以使用GPS、北鬥等導航手段進行定位，精度要顯著高於脈沖星導航。但在壹些特殊情況下，比如導航衛星或地面站出現故障，或被摧毀，無法提供導航服務時，脈沖星導航可以作為壹種重要的備份手段，提供緊急狀態下的服務。
另外，由於X射線無法穿透地球大氣層，因此在地面無法接收到脈沖星的X射線脈沖信號，也就無法直接利用脈沖星實現導航和定位。
脈沖星將是 探索 宇宙的“燈塔”
1967年，英國劍橋大學卡文迪許實驗室研究生約瑟琳·貝爾在檢測壹臺射電望遠鏡信號時發現了壹些奇怪而有規律的脈沖信號，貝爾立即把這個發現報告給她的導師安東尼·休伊什。
他們發現的信號來自距我們約2200光年的遙遠星體，甫壹發現就引起了人們的興趣：如此精確的信號極像外星人給我們發的信息，因此這個新發現的星體被命名為“小綠人1號”。在接下來不到半年的時間裏，科學家又陸陸續續發現了數個這樣的脈沖信號，因而排除了外星人的可能。
1968年2月，貝爾和休伊什聯名在英國《自然》雜誌上報告發現了新型天體——脈沖星。
脈沖星是中子星的壹種，是大質量恒星在壽命的晚期發生“超新星爆發”後留下的致密天體。以均勻的時間間隔輻射脈沖的中子星被稱為脈沖星。
脈沖星如同飛輪般高速旋轉，在旋轉過程中，其磁場形成強烈的電波向外界輻射，對觀測者來說，就像周期性的脈沖信號。
脈沖星的特點之壹是，其脈沖信號的長期時間穩定度很高，堪比甚至優於地球上的原子鐘，可作為宇宙中的時間基準，因此脈沖星也被稱作“宇宙燈塔”或星際旅行中“天然的GPS衛星”。
如同地面使用衛星信號進行導航壹樣，航天器通過觀測脈沖星，也可以實現自主導航，即脈沖星導航。其原理可以這樣理解：雖然脈沖星發出的兩個相鄰脈沖的時間間隔（或稱為脈沖周期）是恒定的，但如果航天器朝向脈沖星運動，接收到的脈沖間隔會縮短，反之，則會變長，觀測得到的脈沖輪廓也隨之發生變化；脈沖到達X射線探測器的精確時間則由探測器相對於脈沖星的距離，也就是航天器在空間的位置所決定。因此，通過分析航天器接收到的（不同方向）脈沖星脈沖信號的特性，就可以反推得到航天器在空間的三維位置和速度（或運動軌道）。
策劃統籌 張誌超