脈衝星導航試驗衛星

研發背景

脈衝星導航的概念早在20世紀70年代就已被提出，它可為人造衛星、宇宙飛船提供導航。不過，以往提出的基於脈衝星射電信號的太空飛行器自主軌道確定方法存在明顯缺陷，X射線脈衝星導航技術研究也僅停留在關鍵技術研究與地面驗證階段。

據中國空間技術研究院脈衝星導航衛星科學任務系統總設計師帥平研究員介紹：脈衝星導航系統並非直接對地面進行導航，而是對近地軌道衛星、深空探測及星際飛行器進行導航。“其實就是利用脈衝星發射的X射線信號作為天然信標，引導太空飛行器在宇宙空間自由航行。”

“11月將擇機發射的世界上首顆脈衝星導航試驗衛星將搭載兩種類型的探測器載荷：一個是準直型微通道板探測器，探測面積為2400平方厘米；另一個是聚焦型探測器，聚焦鏡頭口徑為17厘米。”帥平說。

這顆衛星有三個試驗目標：第一，上天實測兩種不同類型的探測器性能，同時利用探測器研究宇宙的背景噪聲；第二，探測蟹狀星雲脈衝星（Crab），解決中國研製的探測器“看得見”脈衝星的問題；第三，探測3顆低流量脈衝星。

中國航天科技集團第五研究院脈衝星導航衛星科學任務系統總設計師帥平在受訪時說，脈衝星具有極其穩定的周期性，“其穩定度比目前最穩定的氫原子鐘還要高1萬倍以上，被譽為最穩定的"天文時鐘"”。

這一次，中國不再跟隨美歐的腳步，而要成為“第一個吃螃蟹的人”。帥平說。

“我們打算通過5到10年的努力，探測26顆脈衝星，建立脈衝星導航資料庫。”帥平說，如果能夠建成以脈衝星為基準的時間系統，也許能夠實現“太空飛行器長時間無需人來照料，對表時間將是脈衝星時間”這一想法。

航天科技集團第五研究院將於今年11月擇機發射全球首顆脈衝星導航試驗衛星(XPNAV－1)，其目的是探索宇宙中那些最神秘的脈衝星，驗證基於X射線脈衝星的太空飛行器自主導航技術可行性，以搶占世界航天前沿技術戰略制高點。

脈衝星是死亡恆星的一種，屬於高速自轉的中子星，它的典型半徑僅有10公里，其質量卻在1.44倍至3.2倍太陽質量之間，是除黑洞外密度最大的天體。值得一提的是，脈衝星具有極其穩定的周期，其穩定度比目前最穩定的氫原子鐘還要高1萬倍以上，被譽為自然界最精準的天文時鐘。

這也是脈衝星能夠運用於的原因所在。航天科技集團五院脈衝星導航試驗衛星科學任務系統總設計師帥平說，和陀螺的原理一樣，脈衝星轉得快、質量大、半徑小，因此它的每次旋轉非常穩定。目前，已發現和編目的脈衝星達到2000多顆，其中約有160多顆脈衝星具有良好的X射線周期輻射特性，可以作為導航候選星。

與傳統的衛星導航不同，脈衝星導航不能直接對地面進行導航，而是對近地軌道衛星、深空探測及星際飛行器進行導航。這是因為，X射線屬於高能光子，難於穿過地球稠密大氣層，只能在地球大氣層外空間觀測到。

打一個比方來概括脈衝星導航原理就是：X射線脈衝星作為宇宙中的“燈塔”，依靠自身發出的極為穩定的X射線脈衝信號，為近地軌道、深空探測和星際飛行太空飛行器提供高精度的位置、速度、時間和姿態等豐富的自主導航信息服務，從而實現太空飛行器長時間高精度自主導航與精密控制，具有廣闊的工程套用前景。