航天前沿技术发展的新跨越—访“脉冲星试验卫星”工程科学任务系统总设计师帅平

本刊特约记者 梁亚坤 紫晓

航天前沿技术发展的新跨越—访“脉冲星试验卫星”工程科学任务系统总设计师帅平

An Interview with Shuai Ping, Chief Designer of XPNAV Satellite

本刊特约记者 梁亚坤 紫晓

2016年11月10日，中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院研制的首颗“脉冲星试验卫星”（XPNAV-1）在酒泉发射升空，开展脉冲星导航技术空间飞行试验研究。脉冲星为什么可以用于航天器自主导航？脉冲星导航将会给航天前沿技术发展带来哪些颠覆性变革？XPNAV-1卫星工程的实施对航天技术创新发展又有哪些启示呢？带着这些问题，本刊特约记者采访了XPNAV-1卫星工程科学任务系统总设计师、中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室帅平研究员。

记者：脉冲星导航是一个全新的航天前沿技术研究领域，究竟什么是脉冲星，什么又是脉冲星导航呢？

帅平：我们可观测到的宇宙有数千亿个星系，每个星系又是由数千亿颗恒星组成的。恒星是构成星系的基本单元，是宇宙中最主要的天体，其一生也像人一样，经历从孕育到诞生、成长、成熟、衰老和死亡的整个过程。大体上说来，恒星死亡后的遗骸可以分为三类：中子星、白矮星和黑洞。脉冲星是高速自转的中子星，其典型半径仅有10km，质量却是太阳的1.44～3.2倍，每立方厘米的脉冲星质量达1.0×109t，是除黑洞外密度最大的天体，其引力强大到让光成为抛物线才能挣脱。

脉冲星的自转轴与磁极轴之间有一个夹角，两个磁极各产生一个辐射波束。当星体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信号。脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等电磁波频段都产生信号辐射。通常把在射电频段上辐射信号的脉冲星称为射电脉冲星，把在X射线频段上辐射信号的脉冲星称为X射线脉冲星。X射线属于高能射线，集中了脉冲星绝大部分辐射能量，易于小型化设备探测与处理，但难于穿过地球稠密大气层，因此只能在地球大气层外空间才能观测到。脉冲星的自转周期一般为1.4ms～8.5s，且具有良好的周期稳定度，尤其是毫秒脉冲星的周期稳定度是目前最稳定的氢原子钟的10000倍还多，被誉为自然界最稳定的天文时钟，使之能够成为人类在宇宙中航行的灯塔。

脉冲星导航就是以脉冲星辐射的X射线信号作为天然信标，航天器自主测定位置、速度、时间和姿态等导航参数的过程。脉冲星导航是以太阳系质心作为时空基准点。太阳系质心是太阳系的质量中心，也是太阳系中最稳定的点，位于太阳表面附近靠木星一侧，太阳及其行星均围绕该点运动。脉冲星导航与卫星导航的原理相似，二者的基本观测量都是距离。脉冲星导航的观测距离是利用同一个X射线脉冲信号到达太阳系质心和航天器的时间差来测定的；卫星导航的观测距离是利用从导航卫星播发的伪随机噪声信号至用户终端的到达时间来测定的。

记者：实现脉冲星导航工程应用，需要解决哪些科学问题和关键技术？

帅平：脉冲星导航需要解决三大科学问题：一是“看得见”问题，即脉冲星探测问题，安装在航天器平台上的轻小型探测器能否提取具有足够信噪比的导航脉冲信号。二是“测得准”问题，即星际航图构建问题，如何快速构建具有高精度的计时模型、脉冲星角位置和标准轮廓的导航数据库，解决脉冲星导航的“电子地图”问题。三是“用得上”问题，即大尺度导航问题，在经典牛顿理论框架下的近地空间导航，三维位置坐标和一维时间坐标相互独立，坐标系是可以平移的；在广义相对论理论框架下，时间和位置坐标是相互关联的，坐标变换是大尺度宇宙空间的四维时空变换。这就是如何实现大尺度宇宙空间的高精度导航问题。

针对三大科学问题，脉冲星导航需要攻克6项关键技术，可以归结为：1套硬件，即X射线探测器；2个实现，即时间保持和自主导航；3项基础，即数据库、时空基准和时间转换。

记者：脉冲星导航与卫星导航有什么区别？实现航天器自主导航有什么重要意义和潜在应用？

帅平：脉冲星导航是以脉冲星发射的X射线信号为天然信标，在太阳系质心坐标系下，通过测量脉冲到达时间，航天器自主测定导航参数的过程；卫星导航是以导航卫星发射的微波测距码信号为信标，在地球质心坐标系下，通过测量测距码信号到达时间，用户接收机测定导航参数的过程。

航天器自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义，一直是世界各航天大国推动航天技术发展的动力和目标。实现航天器自主导航，一方面可以减轻地面测控系统的工作负担，减少测控站的布设数量和地面站至航天器的信息注入次数，降低航天器（星座）系统建设和长期运行维持费用；另一方面，减少航天器对地面测控系统的依赖，增强系统自主生存能力。然而，目前航天器仍然依赖地面测控系统来完成导航任务，尚未实现真正意义上的自主导航。脉冲星导航是用于航天器的导航，是实现航天器的长时间高精度自主导航最有希望取得突破的技术。

实现航天器长时间高精度自主导航，尤其是导航星座长时间自主运行具有重要的工程价值和战略研究意义，但这仅是脉冲星导航潜在应用的一个方面。同时，通过脉冲星导航研究，还可以构建天地一体脉冲星时间系统，增强现有的原子时体系；在航天器上产生X射线，拓展空间X射线主动导航与通信能力；脉冲星导航涉及12个一级学科和21个二级学科，促进多科学交叉领域研究。虽然脉冲星导航应用前景振奋人心，但是脉冲星导航技术实现是否可行，谁也不知道。因此，才有必要发射专用试验卫星，开展脉冲星导航空间飞行试验验证。

记者：XPNAV-1卫星工程的科学任务目标是什么？

帅平：XPNAV-1卫星搭载了2种类型的探测器载荷：一是聚焦型探测器，聚焦镜头口径为17cm；另一个是准直型微通道板探测器，探测面积为2400cm2。该卫星工程有3个科学试验目标：一是实测验证2种类型的X射线探测器性能，研究空间背景噪声及探测器响应机制；二是探测蟹状星云（Crab）脉冲星或脉冲X射线双星系统，提取脉冲星轮廓，解决用中国研制的探测器“看得见”X射线脉冲星的问题，这是本次空间飞行试验的核心目标；三是尝试长时间累积观测3颗低流量脉冲星，建立试验型数据库，探索验证脉冲星导航系统体制的可行性。

蟹状星云脉冲星的流量是1.54个光子/（s·cm2），而低流量脉冲星只有0.001个光子/（s·cm2），探测难度更大，但是更有希望用于导航。这是因为低流量脉冲星大量存在，同时不会像蟹状星云脉冲星那样因为周期跃变而导致稳定度下降。如果能探测到3颗低流量脉冲星，那么就可以实测验证脉冲星导航技术的可行性。

记者：发射XPNAV-1卫星，对于推动航天技术原始创新有何种借鉴意义？

帅平：我国正从航天大国向航天强国迈进，原始创新是必由之路。2004年，美国提出脉冲星导航研究计划，但有些专家认为该项技术风险很大。中国空间技术研究院以严谨求实的科学态度和创新研发的管理模式，认识到导航脉冲星导航的重大战略机遇，同时识别和规避技术风险，自主投入研制一颗低成本脉冲星试验卫星。2016年11月10日，XPNAV-1卫星发射成功；11月18日，美国《大众科学》（Popular Science）月刊评论：XPNAV-1是全球第一颗脉冲星导航专项试验卫星，超越美国航空航天局（NASA）的脉冲星导航计划，抢先开展空间飞行试验。同时，NASA空间科学数据协作库将XPNAV-1卫星纳入其中，编号为NSSDCA/COSPAR ID 2016-066A，并设计XPNAV-1卫星专门网页，填充科学数据和试验结果。XPNAV-1卫星工程任务的成功实施，提升了我国在该领域的创新能力和国际影响力，具有重要的发展战略意义。

脉冲星导航系统研究具有技术复杂、实现难度大、多学科交叉和创新性强等特点，是一项长期发展的事业。开展脉冲星导航创新研究，不仅需要科研人员具有研究的兴趣和激情，更需要培育一种团队学术创新研究的氛围和文化。科研创新包含4个基本要素：创新的激励、创新的投入、创新的管理和创新的文化。其中，前3个要素都是外在的、政策性的，在短期内可以保障的；而创新的文化却是内在的、最核心的，需要长期培育和积累。在“大众创业，万众创新”的时代背景下，中国空间技术研究院也面临着科研创新的转型和升级。通过脉冲星导航技术创新研发管理的实施，培育了一种科研创新的文化。自2005年中国空间技术研究院开展脉冲星导航技术研究以来，尤其是最近5年，在上级主管部门的大力支持下，研究团队刻苦攻关，攻克了探测器、数据库、时间保持和大尺度导航等关键技术，申请发明专利51件，获得软件著作权11项，获得“宇宙灯塔”注册商标1项，制作脉冲星导航系列科普专题片5部，出版学术论著2部，发表学术论文100余篇，以及发布探测器产品测试标准等，共同构筑了脉冲星导航技术创新的文化，推动航天前沿技术跨越发展。

记者：在此次脉冲星导航空间飞行试验之后，接下来研究团队还计划开展哪些工作？

帅平：此次脉冲星导航飞行试验仅仅是“万里长征”迈出的第一步。在上级主管机关的领导和支持下，中国空间技术研究院脉冲星导航研究团队将联合国内相关科研院所，大力协同，集智攻关。计划通过5～10年的努力，研制大面阵数据库型探测器和轻型化导航型探测器；构建由若干颗卫星组成的空间基准星座；构建满足工程应用要求的脉冲星导航数据库；建立天地一体的脉冲星时间基准系统等。脉冲星导航实现技术难度大，创新性强，几乎无先例可循。因此，这是值得托付一生的事业。“只要我们敢于梦想，我们就能够实现！”这是脉冲星导航研究团队的座右铭和誓言。