脉冲星导航实验？你可能想多了
2016年10月13日，脉冲星导航实验卫星（XPNAV-1）项目召开新闻通气会，宣布中国将于11月择机发射全球首颗脉冲星导航实验卫星。据报道，该实验卫星将实测脉冲星发射的X射线信号，尝试验证脉冲星导航技术体制的可行性，中国科学家将从此重构时空基准。此后掀起了一批媒体报道的热潮。媒体的报道和网友的热捧，甚至影响了股市的走向。
然而，对这个项目，也有专家持有不同的意见，更担心言过其实的报道会让网友对中国科研成就产生怀疑。昨日（10月21日），科学人刊发《脉冲星导航，精度10米？别逗了！ 》，介绍了脉冲星导航的原理。那么脉冲星导航到底有什么用？即将发射的XPNAV-1实验卫星是否真的能够开启脉冲星导航的大门，使中国在这一领域中占据一个极具战略意义的制高点？果壳网科学人就此事联系了7位业内专家，试图了解他们的见解和意见，但最终，只有三位专家表达了他们的观点，且其中一位不同意发表。
卫星导航已经是很多人日常生活中几乎每天都会用到的出行服务。不管是美国的GPS导航系统，还是中国的北斗导航系统，都要通过接收导航卫星的无线电信号来实现定位与导航。
导航卫星要在天上昼夜不停地连续发射无线电信号，传递卫星的时间和位置信息。地面上的接收机通过这些信息就能解析出当前与这颗卫星的相对位置。不过，我们所处的是一个三维的世界，只有同时知道经度、纬度，和高度才能知道我们在某个时刻所处的准确位置。
中国科学院上海天文台的赵铭研究员解释说，通过卫星定位的过程就像是解多元一次方程——有3个未知数，就需要至少3个方程来求解，也就是需要同时接收至少3颗不同的导航卫星发来的信息。导航卫星越多，定位就越精准。这些导航卫星组成的“星阵”有个专门的名字，叫做“导航星座”。我们的地球处在这个导航星座当中，所以在地面上无论走到哪里，只要没有信号遮挡，就能够通过导航星座中的卫星实现定位。
我们在地面上出行需要导航，卫星和航天飞船这样的飞行器在天上运行同样也需要导航。
虽然这些飞行器的运行轨道都是预先计算好的，但是，进入太空之后，实际运行受很多复杂因素的影响，可能会偏离事先设计的状态，需要实时进行调整。而进行调整的前提，就是通过导航系统，确定飞行器真实的位置、运动方向和速度等参数。
目前，对这些飞行器的导航主要是依靠地面测控，利用三台放置在不同地点的雷达，分别、同时测量飞行器相对每台雷达的位置和速度，就能够通过“解方程”计算出飞行器在宇宙空间中的三维位置和速度。雷达的数量越多，位置越分散，定位的精度就越好。
这也是为什么中国会派出好几艘航天测控船，在大洋中布阵来测控卫星和飞船的运行——把尽量多的雷达分布在尽量广的区域里，提高定位的精度。这种地面测控的方式能够实时地对地球附近的飞行器进行高精度的定位和导航，然而，当飞行器越飞越远，地球上相隔万里的雷达相对于飞行器来说就慢慢“汇聚”在了一个点上，定位的精度也就大打折扣了。
赵铭说，目前的飞行器飞到土星附近的时候，地面测控网的定位就已经只有几百千米的精度了。所以，为了满足远距离星际旅行的导航需求，在无法依赖地面导航系统的情况下，人们将目光瞄向了脉冲星。
脉冲星导航跟GPS卫星导航的原理类似。脉冲星是恒星演化到晚期的产物，与导航卫星相似的是，脉冲星也在昼夜不停的连续发射着脉冲信号。
这些脉冲信号的周期性非常稳定，使得脉冲星就像是散布在宇宙中、相距上千光年的“导航卫星”，把广阔的宇宙空间都包在了一个巨大的“脉冲星导航星座”里，宇宙飞船不管飞到哪都能接收到来自不同方向的“导航卫星信号”。
因此，从理论上说，运行中的飞行器如果能够精确的测量至少3颗脉冲星发出的脉冲信号到达飞行器的时间，同时结合轨道运动规律，就能够推测出飞行器的位置、速度和方向等信息，从而摆脱地面控制系统，实现飞船自身的定位和导航。
理论上，利用三颗以上脉冲星，就可能进行深空星际旅行的导航
虽然从理论上来讲，以脉冲星组成的导航星座能够利用脉冲星非常稳定的脉冲信号来实现自主导航，然而，至少目前看来，这套系统并不好用。中国科学院高能物理研究所张双南研究员说，“主要是还有一系列关于脉冲星的天体物理问题还没有解决。”
脉冲星的信号本身就是个问题。GPS卫星信号是人工编制的代码，收到一组，我们就能够准确的解析其中所包含的信息。脉冲星的信号是天然形成的，虽然稳定，却是真真正正的“天书”，必须通过长期的观测和纪录，找到每一个需要利用的脉冲星信号的规律，才能利用它们来进行定位与导航。
赵铭认为，最大的问题是脉冲星的脉冲信号非常微弱。在已经观测到的所有脉冲星里，来自蟹状星云脉冲星的信号最强。“用1平方米的接收器，每秒能接收到上千个光子”，赵铭说，“其他的脉冲星信号强的最多也只是蟹状星云脉冲星的千分之一，或者更低。就算这些脉冲星每毫秒发射一个脉冲，我们每秒钟最多也只能接收到1个光子。”如果用GPS导航卫星的信号做个类比，就相当于导航卫星发射了一长串时间位置信息，我们只随机收到了其中的一个字母。
因此，需要先通过大量的观测还原出脉冲星发出的“完整信号”，然后才能从信号中推算出飞行器的位置和速度信息。“需要几个小时甚至更长时间才能积累观测到足够的光子得到一个完整的脉冲星信号。要通过三颗以上的脉冲星实现定位需要的时间就更久了”，赵铭说，“如果用脉冲星导航去月球的话，可能刚给了一个导航信号，飞船就已经飞过头了！ 所以，脉冲星导航的时间精度并不适用于近地导航，更无法取代或者改善GPS或北斗系统对地面活动的导航功能。”
事实上，美国人最早提出可以用几个脉冲星组成一个星座来进行导航这个想法的时候，目的就是为了实现远距离的深空星际旅行。张双南说，“在太阳系内深空飞行的巡航阶段利用脉冲星有可能提供辅助或者备用的导航信息，但是其精度不会好于目前已有的导航系统和导航技术，比如深空导航系统和光学导航技术。”
10月13日，在脉冲星导航实验卫星（XPNAV-1）的项目发布会上，项目负责人表示，脉冲星导航系统最终可以达到的10米导航精度。对此，两位专家认为，根据目前所掌握的有关脉冲星的天体物理理论，可能实现的导航精度能达到几千米，甚至几十千米都非常困难，这是国际脉冲星导航界的共识。虽然近年的工作表明，如果我们对于脉冲星的天体物理理论的研究取得进一步突破，略好于千米级的导航精度是有可能实现的，然而，对于是否能更精确，不要说10米，就是突破100米的精度，“根据现有的脉冲星天体物理理论，这不可能做到。”
接收器的质量也是个问题。赵铭说，“1平方米的接收器在世界上已经是很大的了，有1吨重。飞行器需要接收至少来自3颗脉冲星的信号才能够实现定位和导航，也就需要有3个接收器同时工作”。即便可以利用1台接收器轮流对3颗脉冲星进行观察，这也意味着要给飞行器增加1吨的额外重量。对于航天飞行器来说，这可不是个小数字。要知道，神舟载人飞船总重也不过8吨左右。
利用脉冲星进行星际旅行的导航，还很遥远。
中国是世界上脉冲星导航研究最为活跃的国家之一。研究人员在脉冲星导航理论、方法和应用方面做了大量深入、细致的工作，对脉冲星信号探测设备的研制工作也在近几年中从无到有，实现了很大的跨越。然而，国外相关领域的研究已经有了几十年的历史，积累了大量的数据，这在中国目前还是空白。应该说，中国的脉冲星导航研究领域，还只是起步阶段，与国际水平相比，还比较落后。
在13日的发布会上，项目负责人在介绍XPNAV-1卫星时，提到这将是“全球首颗脉冲星导航实验卫星”，这让两位专家十分担忧。
赵铭与张双南认为，从XPNAV-1所公布的数据来看，它所搭载的2400平方厘米探测器只能观测到来自蟹状星云脉冲星的脉冲信号。如果运行极好，也有可能看到2-3颗暗一些的脉冲星。但国际上对这些脉冲星早已积累了海量的空间观测数据，XPNAV-1不可能提供新的有关这些脉冲星的可用信息。
“检验探测器是需要的，但XPNAV-1的工作跟导航没有直接关系，不能说是脉冲星导航实验卫星，更不能说是首颗”，赵铭说。
“实现导航的主要问题，并不是需要XPNAV-1这样低水平的观测仪器，而是要获得以前没有获得过的新的数据，进一步研究和理解脉冲星的天体物理，这是极为重要的。而XPNAV-1并不能实现这样的目标”，张双南说。
据悉，中国刚刚发射的天宫二号空间实验室上面的仪器就对蟹状星云脉冲星进行了探测并且正在开展新的天体物理研究，近期和未来还会有性能更好的空间脉冲星探测仪器发射运行。
因此，即使 XPNAV-1卫星能够如期完成对脉冲星信号的空间探测任务，但是想利用XPNAV-1这颗卫星进行脉冲星导航实验，你可能真的想多了。现在的脉冲星导航仍是非常前沿的的基础科学研究，距离实际应用，还有很远的路要走。
（编辑：吴欧；排版：Sol_阳阳、天宇）
科学人脉冲星专题
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