“慧眼”卫星新成果：宇宙导航可以更准

宇宙如此之大，你想看看吗？最近，“眼睛”卫星带来了一个好消息:太空导航的精度可以更高。不要担心找不到回家的路。

8月21日，美国《天体物理学杂志》(增刊)发表了一项来自“眼睛”卫星的科学研究成果。中国科学院高能物理研究所(以下简称中国科学院高能物理研究所)的科学家利用“眼”卫星进行了X射线脉冲星导航实验，定位精度在10公里以内(标准差的3倍)，进一步验证了利用脉冲星进行航天器自主导航的可行性，为未来深空实际应用奠定了基础，相关技术可应用于深空探测和星际旅行。

宇宙中的“灯塔”

人类探索宇宙的步伐正在加快。越来越多的太空探测器正飞往太阳系的各个天体。然而，由于这些航天器远离地球，现有的卫星导航系统难以为它们提供可靠的导航服务。尽管美国、俄国和其他国家已经试图建立一个“深空TT&C网络”，利用地面上的大型无线电天线为远程飞机提供导航服务，但随着与地球距离的增加，导航精度将会下降。

星际旅行怎么可能不迷路呢？科学家们一直关注不依赖地面设备的航天器“自主导航”技术。x射线脉冲星导航技术就是其中之一。

中国科学院高能物理研究所副研究员、“眼睛”号卫星脉冲星导航实验负责人郑世界说，X射线脉冲星导航利用来自宇宙中遥远天体脉冲星的精确周期脉冲信号，为空间航天器提供导航和计时服务。

脉冲星是一类高速旋转的中子星。脉冲星是晚年大质量恒星“超新星爆炸”留下的致密天体。它们的脉冲信号具有长期的高稳定性，可与地球上的原子钟相比甚至更好，并可用作宇宙中的时间基准。因此，脉冲星在星际旅行中也被称为“宇宙灯塔”或“天然全球定位系统卫星”。

脉冲星发出的两个相邻脉冲之间的时间间隔是恒定的。如果航天器向脉冲星移动，接收到的脉冲间隔将会缩短，否则，它将变得更长，并且观察到的脉冲轮廓将会相应地改变。因此，通过分析航天器在不同方向上接收到的脉冲星脉冲信号的特征，可以推导出航天器在空间的三维位置、速度或运动轨迹。

地球人的尝试

近年来，X射线脉冲星导航吸引了越来越多的关注。

2004年，欧空局发布了技术报告“基于脉冲星时间信息的航天器导航可行性研究”。2018年1月，美国航天局在国际空间站进行了第一次实时在轨脉冲星自主导航实验。经过7.5小时的脉冲星观测，自主导航精度达到5公里(1倍标准差)，表明X射线脉冲星导航技术将应用于“月球返回计划”和未来的火星探测计划。

中国还开展了大量脉冲星导航的理论和实验研究。郑世界表示，2016年9月，中国天宫二号空间实验室发射升空。中国科学家利用天宫二号上的“天极望远镜”——伽马射线爆发偏振探测器(POLAR)，首次在中国成功完成了脉冲星导航的空间实验。同年11月，中国还发射了脉冲星实验星XPNAV-01，开始脉冲星探测和相关研究。

2017年6月15日，中国首颗X射线天文卫星“天眼”在酒泉卫星发射中心成功发射。“眼睛”卫星携带三个高能、中能和低能的x光望远镜有效载荷和一个空间环境监测器。研究小组成功地利用该卫星进行了X射线脉冲星导航实验，进一步验证了脉冲星导航的可行性。

“智慧之眼”实验

2017年8月31日至9月5日，“眼”号卫星对著名的蟹状星云脉冲星进行了约5天的观测，实现了卫星的自主定位。

“眼睛”卫星首席科学家张双南表示，自主定位算法是中国科学院高能物理研究所课题组2016年提出的一种新的X射线脉冲星导航算法——“脉冲轮廓显著性与卫星轨道相关性分析”。该算法的可行性已在POLAR实验中得到初步验证。在进一步改进导航算法后，研究人员用该算法分析了“眼睛”卫星上三个望远镜的观测数据。结果表明，三种望远镜数据都能实现“眼睛”卫星的自主定位。如果综合利用3台望远镜的5天观测数据，导航定位精度可达10公里(标准差的3倍)，相当于3.3公里(标准差的1倍)的定位精度，相当于美国国家航空局的实验精度。

为了进一步测试导航算法的可行性和可靠性，研究小组还进行了充分的理论分析，并选择了各种类型的脉冲星进行仿真验证。结果表明，该方法也适用于其他导航脉冲星。这一结果为算法的实际应用奠定了基础。

2018年9月，研究人员将脉冲星导航在“眼睛”卫星上的实验结果提交给《美国天体物理学杂志》(增刊)，并于2019年6月11日被正式接受。

评论家认为“由“眼”卫星进行的在轨演示和验证是对脉冲星导航发展的重要贡献”，文章最后的仿真和分析部分专门从数学上验证了这种方法的可行性...我相信这是对脉冲星导航的一个很好的贡献”。

论文的相关信息:

https://doi.org/10.3847/1538-4365/ab3718