【观察者网综合】在移动互联网时代，从打车到找房子、租单车，通过手机等设备，我们的生活日益依赖卫星导航定位技术，这也使GPS和北斗的名称家喻户晓。可是你听说过脉冲星导航吗？据中新网10月13日报道，我国将于11月发射全世界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，尝试验证脉冲星导航技术的可行性。一旦这项技术得到应用，脉冲星导航卫星可以为近地轨道、深空探测和星际飞行航天器提供自主导航信息服务，那时我国各类空间飞行器将可以摆脱对地面的依赖，而且可获得比目前精确度高1万倍的导航数据。

　　恒星“死亡”造就高速旋转的脉冲星

　　X射线脉冲星因非常稳定，有“宇宙灯塔”之称，但是它却与恒星的“死亡”有关。“恒星的一生也像人一样，经历从孕育诞生，到成长成熟，并最终衰老死亡的整个过程。大体上说来，恒星死亡后的遗骸可以分为三类：白矮星、中子星和黑洞”，atv，中国空间技术研究院脉冲星导航卫星科学任务系统总设计师帅平介绍说。

　　脉冲星属于中子星，典型半径仅有10千米，其质量却是太阳的1.44倍至3.2倍。每立方厘米脉冲星的质量高达10亿吨，要用1000艘百万吨级的巨轮才能拖动。可以说，脉冲星是除黑洞以外密度最大的天体。

　　脉冲星被誉为自然界里最稳定的天文时钟

　　脉冲星“运动不止”，自转周期在1.4毫秒至8.5秒间，相当于每秒旋转上千次，半径小、质量大、高速自转，堪称是“永远不倒的陀螺”。

　　脉冲星的自转轴与磁极轴之间有一个夹角，两个磁极各有一个辐射波束，而磁极波束就像“灯塔”发出的光束一样，当脉冲星自转且磁极波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时，探测设备就能够接收到一个脉冲讯号，再根据现代卫星导航的时间测距理论，就可以提供时间、速度、姿态等信息。

　　“脉冲星就是高速自转的中子星，具有极其稳定的周期性，其稳定度达到10的负19次方，比目前最稳定的氢原子钟还要高1万倍以上，被誉为自然界里最稳定的天文时钟，甚至可被称为人类在宇宙中航行的灯塔”，帅平介绍说。

　　“10的负19次方是什么概念呢？就是两个脉冲讯号点之间的周期差值，只有在小数点后面第19位才会出现变化”，帅平解释说。目前国际时间基准是原子时系统，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。“这就好像把原来的时间尺子刻度加密到110000，刻度更细密了，我们就能量得更精确、看得更细致”，帅平说。

　　可是，导航和时间精准不精准有什么关系呢？

　　事实上，atv，无论是最早出现的地文导航，还是大航海时代的天文导航，还是现代的无线电导航，都需要时间。例如，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。卫星导航系统是一种天基的无线电导航系统，采用单向达到时间测量距离。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X射线脉冲讯号到达太阳系质心和宇宙飞船的时间差来测定的。当前，卫星导航定位精度为10米，脉冲星导航的最终精度也能够达到10米水平。

　　与以地球质心为时空基准点的卫星导航相比，脉冲星导航以太阳系质心为时空基准点，以脉冲星发射信号为天然信标——这既解决了导航卫星的寿命限制，也将减少航天器对地面站的依赖。

　　脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线或伽马（γ）射线等电磁波段发射信号。为什么要选择X射线脉冲星来探索组建导航系统呢？

　　事实上，早在1974年，美国国家航天总署（NASA）喷射推进实验室的科学家就首次提出基于脉冲星射电信号的宇宙飞船自主轨道确定方法。然而，这一方法缺陷明显，其中最大的问题是，脉冲星在射电频段讯号极其微弱，需要至少25米口径的天线才能探测到。“这么大口径的天线有好几吨重，放到卫星上，卫星都被压扁了”，帅平说。