快读｜脉冲星试验卫星发射成功，它能达到10米精度吗？

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阿盟说
北京时间11月10日上午7点42分，我国成功发射首颗脉冲星导航试验卫星（XPNAV－1），实测脉冲星发射的X射线信号，试验和验证脉冲星导航技术的可行性。
但是，什么是脉冲星？脉冲星导航又是什么？已经有北斗导航了，脉冲星导航有什么优势呢？今天，阿盟为大家全面地介绍一下。
撰文：秦昰嵩
责编：寒凌旭
审校：郑永春
一、什么是脉冲星？

脉冲星的发现
脉冲星是20世纪60年代四大天文发现之一。脉冲星研究一直是天文学界研究的热门之一，相关研究先后两次获得“诺贝尔物理学奖”。一次是发现脉冲星（Hewish，1974），另一次是发现脉冲双星系统，并因此间接验证了广义相对论预言的引力辐射（Taylor，1993）。
那么，什么是脉冲星呢？
早在1934年就有科学家指出，大质量恒星死亡时会发生超新星爆发，然后可能会遗留一个极其致密的天体 ——中子星。脉冲星就是中子星的一种。
1967年，英国剑桥新建造了一台射电望远镜——“行星际闪烁阵列（Interplanetary Scintillation Array ）”，这是一种新型望远镜，它的作用是观测“行星际闪烁”现象，即天体发出的均匀射电波，在透过太阳风后变得不均匀，使遥远的星体看起来成了“闪烁”的射电源。整个装置不能移动，只能依靠各天区的周日运动进入望远镜的视场，进行逐条扫描。

行星际闪烁阵列
1967年7月，这台射电望远镜正式投入使用，观测波长为3.7米。用望远镜观测，并担任繁重记录处理任务的，是休伊什教授的女博士研究生乔丝琳·贝尔。在观测过程中，细心的贝尔女士发现了一系列奇怪的脉冲，这些脉冲的时间间距精确相等。贝尔立刻把这个消息报告给导师休伊什。
休伊什认为，可能是受到地球上某种电磁波的影响。但第二天同一时间，比前一天提前约4分钟（这种提前显然是由于地球运动导致的），也是在同一天区，那个神秘的脉冲信号再次出现。这种特殊的射电天体，周期性地发出射电脉冲，周期为1.3373011秒，且十分稳定。这再一次证明，这个奇怪信号不是来自于地球，确实来自地球之外的太空。

乔瑟琳·贝尔

贝尔发现第一颗脉冲星的数据记录纸
这是不是外星文明向我们发出的文明信号呢？刚开始，贝尔也以为是“小绿人”外星文明向地球发来的信号。她将其发现的第一颗脉冲星命名为“小绿人1号”，随后，她和其他天文学家们发现了越来越多的“小绿人”，因此确认这是一种全新的天体——脉冲星（Pulsar）。
1974年，这项新发现获得了诺贝尔物理奖。诺贝尔奖颁给了休伊什，以奖励他所领导的研究小组发现了脉冲星。令人遗憾的是，脉冲星的直接发现者，乔丝琳·贝尔却不在获奖者之列。事实上，在脉冲星的发现中，起关键作用的应该是贝尔严谨的科学态度和极度细心的观测。
如何发出脉冲

脉冲星
脉冲星具有短而稳定的脉冲周期。所谓脉冲，就是像人的脉搏一样，依次不停地出现短促的无线电信号。例如，贝尔发现的第一颗脉冲星，每两次脉冲之间的间隔时间是1.337秒，其他脉冲间隔还有短至0.0014秒（源于PSR J1748-2446）的，最长的间隔也不过11.765735秒（源于PSR J1841-0456）。那么，这样有规则的脉冲究竟是怎样产生的呢？
要发出像脉冲星那样的电磁信号，需要很强的磁场。而只有体积非常小、质量非常大的中子星，它的磁场才足够强。中子星的半径一般为10km，而质量却与太阳相当。可想而知，中子星的密度大得惊人。中子星的密度为每立方厘米8×1013克至2×1015克之间，即每立方厘米的质量为8千万到20亿吨之巨！是水的密度的一百万亿倍。
而脉冲的形成是由于脉冲星的高速自转，就像我们乘坐轮船在海里航行时看到的灯塔一样。设想一座灯塔总是亮着，且在不停地有规则运动，灯塔每转一圈，由它窗口射出的灯光就射到我们的船上一次。不断旋转，在我们看来，灯塔的光就连续地一明一灭。脉冲星也是一样，当它每自转一周，扫过我们的地球，我们就接收到一次它发射的电磁波，于是就形成一次次的脉冲。这就是“灯塔效应”。脉冲的周期其实就是脉冲星的自转周期。

脉冲星的灯塔模型
从前面我们已经知道，脉冲星的自转周期很短，一般为1毫秒到10秒的量级，且周期极其稳定，周期变化率达10-19（两脉冲信号的间隔之差到小数点后19位才会出现变化）。这就使脉冲星成为了太空中一个非常准确的天然时钟。
二、什么是脉冲星导航？
精确的脉冲周期信号有何作用
在地球大气层外的飞行器（如宇宙飞船、深空探测器等），可以利用脉冲星的脉冲信号实现自主导航。那么，有小伙伴可能就要问了，为什么不利用地球上的设备进行导航呢？
那是因为，宇宙飞船（如飞往外太空）和深空探测器（如飞往火星等其他星球）在太空中与地球的距离太过遥远。例如，在火星轨道上，探测器或宇宙飞船与地球间通信会有200至1000秒延迟，因此如果想要变轨或遇到什么突发状况，从指令下发，到飞行器做出响应，就会有几百秒的滞后，这时，飞行器做出什么动作也都太晚了。这还只是在火星轨道，如果在更远的地方，时间延迟会更久。因此，需要飞行器自主进行导航。另一方面，飞行器离地球越远，从飞行器上看去，地球轨道上的卫星和地球就越接近一个点，而导航要求至少有三个点才能测出目标的具体位置，仅有一个点是不行的。
而茫茫的宇宙中，分布广泛的脉冲星就成为了最有力的候选者。
又有小伙伴可能要问了，宇宙中这么多发出无线电信号的天体，为什么偏偏选择脉冲星呢？是因为它能发出极其稳定的脉冲信号么？
没错！
无论是大航海时代通过观星来导航，还是现代的无线电导航，都需要精确的时间信号。
例如，地球上所处位置的经度测量就得依赖于时间测量。众所周知，地球每24小时自转一周，也就是360度，每小时就相当于经度15度。所以，只要知道两地的时间差，就可以知道两者之间的经度差了。如果某地的正午12点，正好是伦敦的上午10点，那么就说明此地在伦敦东边30度的地方。所以导航的关键核心，就是要解决时间测量问题。
在无线电导航中，时间测量是基本观测量，根据信号传播时间来计算两者之间的距离。
现在大家出门，手机一开，打开导航软件，接收到GPS卫星或我国自行研制的北斗导航卫星的信号，经过软件的测算，再辅以其他定位方式，就能把自己的精确位置显示在地图上了。脉冲星导航与卫星导航定位原理极为相似，其观测距离，是利用脉冲星发射的同一个脉冲信号到达太阳系质心和航天器的时间差来测定的。
GPS导航卫星不断地向地面下发导航信号，用户接收机系统需要计算出用户的三维坐标X、Y、Z，由于用户的时钟与卫星系统的时钟不同步，所以还需要计算出卫星系统与用户接收机的时间差T，然后用4个方程解出这4个未知数，当然，至少需要4颗卫星，才能知道用户的具体位置了。
与GPS导航类似，基于脉冲星的飞行器自主导航定位的步骤具体为：
1、飞行器上的探测器接收到脉冲星发来的射电光子，光子计数器获得脉冲信号和相位信息，系统计算出脉冲到达飞行器的时间；
2、系统调用脉冲星模型数据库，对脉冲到达飞行器的时间，进行各种效应造成的延迟改正和误差修正，换算得到在太阳系质心坐标系中的脉冲到达时间；
3、将此脉冲到达的时间与预报到达的时间进行对比，得到时间差；
4、由于多普勒效应，飞行器远离脉冲星时，脉冲到达时间间隔就会增加，反之，脉冲到达时间间隔就会减小。结合多颗脉冲星，系统可以计算出飞行器相对脉冲星的速度，进而推知飞行器自身的速度了；相对于太阳系质心来说，飞行器离脉冲星越远，飞行器的脉冲到达时间就会比太阳系质心的脉冲到时间推迟，反之，飞行器离脉冲星越近，这个时间就会提前。系统就可以根据此来推算出飞行器自身的与太阳系质心的相对位置了；用于导航的脉冲星越多，最终得到的位置就越精确。
当前，民用卫星导航定位精度为10米，脉冲星导航的理论精度也能够达到10米水平。

脉冲星导航原理（SSBC是Solar System BaryCenter太阳系质心的缩写）
为何导航只选择X射线脉冲星？
脉冲星几乎在全波段（从射电、可见光到X射线）都有电磁辐射，而脉冲星导航的候选源只选择X射线脉冲星，这是为什么呢？
事实上，早在1974年，美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室的科学家就首次提出了基于脉冲星射电信号的航天器自主轨道确定方法。然而，这一方法缺陷明显，其中最大的问题是，脉冲星在其他射电频段信号极其微弱，需要至少25米口径的天线才能探测到。而25米级的天线至少要几十吨，要想把这么大口径的天线送入太空，成本实在太过高昂。
而X射线属于高能光子，集中了脉冲星绝大部分辐射能量，易于采用小型化设备探测和进行信号处理，使其应用于航天器成为可能，脉冲星导航就是利用脉冲星发射的X射线信号作为天然信标，引导航天器在宇宙空间自由航行的。
不过，X射线难于穿透地球稠密的大气层，因此只能在地球大气层外的空间才能观测到。所以，脉冲星导航系统不能直接对地面进行导航，而是为地球大气层外飞行的各种卫星和深空探测器进行导航。

脉冲星导航效果图
三、脉冲星的观测方式
想要利用脉冲星进行导航，我们首先要获得脉冲星本身精确的位置信息。获得候选的X射线脉冲星的各种精确参数，以建立精确的导航星历表。获得脉冲星精确位置信息的方式主要有两种：计时法（Timing）和甚长基线干涉（VLBI）。
脉冲星计时（Pulsar Timing）是测量脉冲星发射脉冲到达地球观测者所需时间，即脉冲到达时间（pulseTime Of Arrival，简称TOA）的方法。脉冲到达时间一般使用射电望远镜进行测定。通过研究脉冲到达时间，可以获得脉冲星的许多信息，例如脉冲星的自转周期，确定其是否具有双星结构，是否具有行星系统，脉冲星的位置等。如果脉冲星的位置测量精度达到0.1毫角秒，且脉冲到达时间测量精度为0.1μs，那么基于X射线脉冲星的航天器轨道确定精度就能够达到10m，且能精确提取时间和姿态信息，满足深空探测要求。
脉冲星计时法一般需要单天线进行5到10年，甚至更长时间的数据积累，才能消除各种误差，从而获得非常精确的结果。

中国科学院云南天文台位于昆明凤凰山的40米口径射电望远镜
VLBI（Very Long Baseline Interferometry甚长基线干涉测量技术）观测，是利用分布在各地的多个天线联合观测，直接测得脉冲星的精确位置。各个天线之间分布距离越远，测得的位置就越精确。

中国现行的VLBI网
四、脉冲星导航的局限
有一种说法：“脉冲星具有良好的周期稳定性，其稳定度达到10的负19次方。而最好的氢原子钟的稳定度只能达到10的负15次方水平，比脉冲星时钟的稳定度还要低4个量级。” 这种说法，其实混淆了自转减慢率与短期脉冲计时稳定性和长期脉冲计时稳定性的关系。
脉冲星由于自身辐射能量、星风等效应，会导致自身自转周期减慢，一般来说，10的19次方秒才会在周期上增加一秒，这是很稳定的。如果人们知道脉冲星自转减慢率，那么，计算出的周期和实际观测到的周期就会很好吻合，有利于提高导航精度。但事实并非这么简单，脉冲星的自转减慢率有时快有时慢，并不是一个稳定的常数，所以需要科学家长年累月的观测，精确掌握其规律，消除其时快时慢的影响，使数据可靠可用。
虽然脉冲星具有非常严格的周期性，但事实上原子钟的短期稳定性要远远优于脉冲星短期计时稳定性，原子钟的长期稳定性也优于大部分脉冲星的脉冲星长期计时稳定性，而决定导航精度的就是短期计时和长期计时的稳定性。
两颗最稳定的脉冲星（J0437-4715和B1855+09），只在10年以上的时间尺度上比原子钟更稳定，而在短时间尺度上远远不如原子钟。这已经通过射电波段观测结果证实。而且，脉冲星在X射线波段的计时精度通常比射电波段还要差。
导航精度能达到10米是如何计算出来的呢？用X射线探测器的时间分辨率30纳秒，乘以光速每秒30万公里，结果差不多是9米。
但是，脉冲星导航的定位精度无论如何也到不了10米，除非达到以下三种条件：（1）探测器的信噪比无穷大，换句话说，仪器已经被理想化；（2）脉冲星的脉冲周期、轮廓形状等参数绝对稳定（3）科学家完全掌握脉冲星的物理性质和规律，可以很好预测脉冲星的行为。
只有在上述条件达到的情况下，才有可能达到10米理论精度，目前看来，最有可能的也只能达到第三种条件了。也许在将来，我们对脉冲星这种神秘的天体有了更深刻的了解，再来看脉冲星导航会有更新的认识。
可见，新闻报道中所谓“10米导航精度”，是一个不太切实际的目标，目前还不可能实现。
根据估算，考虑到目前X射线脉冲星的脉冲到达时间的稳定性和误差，最终的定位精度为几公里到几十公里，还远远达不到人们期望的导航精度。在人类目前能够到达的空间里，脉冲星导航只能作为传统导航的一个补充，还远远不能独当一面。
无论如何，还是衷心希望脉冲星导航的后续研究工作顺利开展，为以后的脉冲星导航能够实际应用打下坚实基础。
毕竟，在人类走向星辰大海的征途中需要一座“灯塔”！

漫随

吃瓜群众表示，懵逼地进来，更懵逼地出去！！！

山东老妖

理解不懂，但可以知道一点知识

山东老妖

脉冲星的光谱存在引力红移吗，引力这么巨大红移应该很利害的！

漫随

应该也有吧，毕竟也是波。