星际导航！地球上用GPS北斗，太空中呢？中国测试脉冲星导航系统

撰文：从人持戈

8月21日，由中科院高能物理研究所研究团队进行的利用慧眼卫星开展X射线脉冲星导航试验成功进行，本次试验的定位精度达到10km之内。脉冲星导航系统是未来卫星在深空航行的重要基础，这一试验的成功进行将会为我国未来深空探测奠定坚实的基础。相关论文已经在8月21日的美国《天体物理杂志》（增刊）上刊登，该杂志审稿人认为"慧眼卫星开展的在轨演示验证是对脉冲星导航发展的重要贡献"。

众所周知，目前人类制造的空间探测器通常采用GPS、北斗等定位系统进行宇宙航行，随着空间探测器距离地球越来越远其定位精度也会降低，这是由此类卫星定位系统的原理决定的。以GPS、北斗为代表的卫星定位系统都是在地球轨道上组建卫星定位网来进行定位，美国的GPS卫星定位系统的定位信息都来自于地球轨道上的24颗卫星，当用户发出定位请求时卫星会测出从卫星到用户接收机的距离，然后综合多颗卫星的数据就可以确定用户位置，这种测量原理在地球上和比较近的太空范围内十分有效。

但在深空飞行中因为航天器距离地球的距离已经十分遥远，导航卫星发出的测距信息已经失去了准确性，虽然目前美俄等国都通过在地面建立大型射电天线的方法但仍然会因为距离太过遥远同样面临导航精度不足的问题。

而X射线脉冲星导航则可以将以上难题迎刃而解。在我们日常生活中我们常常认为夜晚的星星是静止不动的，这其实是因为在惯性空间里这些恒星距离地球的方位基本不变。X射线脉冲星导航也与此类似，人们在建设X射线脉冲星导航系统前首先要寻找一个距离地球足够遥远的脉冲星，这样它相对于地球的位置是基本固定的。脉冲星是一种可以长时间产生高稳定度脉冲信号的天体，其脉冲信号可以堪比地球计时采用的原子钟，因此可以作为宇宙中的时间基准，随后再根据其脉冲波的频率和时间就可以实现宇宙导航。正因如此，脉冲星又得名"宇宙灯塔"。

我国第一次射线脉冲星导航系统试验是在2016年，利用当年9月发射升空的天宫二号空间实验室上搭载的伽玛射线暴偏振探测器我国科学家成功进行了国内首次脉冲星导航试验。本次试验采用的"慧眼"卫星发射于2017年6月，搭载了可以观测黑洞、中子星、伽马射线暴乃至引力波暴等等天文现象的高能X射线望远镜、中能X射线望远镜和低能X射线望远镜三种科学载荷和空间环境监测器。在本次脉冲星导航系统试验中，科研人员还选取了多种类型的脉冲星进行模拟验证，积累了大量导航运算数据为未来脉冲星导航系统算法的实践奠定了坚实基础！