脈衝星導航——地球流浪途中的指路燈
流浪地球中，吳京駕駛的飛船是咋導航的？影片沒有介紹，感覺空間站就是一路尾隨地球在跑，太空中飛船的穿越導航問題是重中之重，流浪的地球也要有方向，要不然「流浪地球」就成了「星際迷航」。導航對於生活在地球上的我們是無處不在的。下載到手機里的一個地圖APP就能實現導航，其實各種手機里的「地圖」導航其實質就是利用人造地球衛星的手段實現對地導航定位，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛星，接收機測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離，構建四個方程，解方程組就得到接收機位置。
衛星定位原理圖（自製）
誰來為航天器導航？
但是航天器在太空中又該如何導航呢？脈衝星！
脈衝星燈塔模型（來源：https://wx.abbao.cn/a/3607-f1e14318bff23304.html）
1.深空探測網
空間飛行器，如嫦娥四號月球探測器，主要依賴建立地面的深空探測網，如美國國家射電天文台用陣列操作中心遙控10架射電望遠鏡組成陣列，這個陣列是全世界最大的天文超長基線干涉測量儀器，名叫：超長基線陣列（VLBA）。據國外媒體報道，美國科學家就是利用該手段精確確定土星方位，精度在4公里以內。就是通過觀測，人類對土星軌道有了更多的了解，為深空航天器在太空中飛行提供更理想的導航服務。
嫦娥四號探月任務示意圖（來源：http://hqck.net/arc/jwjs/zgjs/2017/0607/237419.html）
美國超長基線陣列示意圖（來源：https://lt.cjdby.net/thread-2007335-1-1.html）
而在影片流浪地球的最後，地球一直持續流浪，空間站要一路尾隨，如何實現導航？如果地球飛出了太陽系,飛出了銀河系怎麼辦？又如何在星際穿越間導航？「脈衝星」提供了可能！
2.脈衝星導航
航天飛行器需要導航，現實中飛行器的運行軌道其實都是預先計算好的，既然是流浪，就不可能事先計算好軌道，而且進入太空之後，實際運行受很多複雜因素的影響，可能會偏離事先設計的狀態，需要實時進行調整。而進行調整的前提，就是通過導航系統，確定飛行器真實的位置、運動方向和速度等參數。脈衝星輻射的X射線信號恰恰能夠為航天器提供自主導航信息，就能成為宇宙中航行的燈塔。
流浪地球空間站（來源
X射線脈衝星是在X射線頻段上輻射信號的脈衝星，X射線屬於高能光子，集中了脈衝星絕大部分能量，可以作為天然信標。航天器自主確定軌道、時間以及姿態參數，並引導航天器沿著設計的軌道飛向目標軌道或目標天體的過程叫做X射線脈衝星導航(XPNAV)。脈衝星導航實際上是針對航天器的自主導航，能夠為宇宙飛行的航天器以及無稠密大氣的行星表面巡遊提供導航服務，而不能直接為地面用戶提供服務，所以，脈衝星是為宇宙航行服務的。
3.脈衝星導航服務與深空探測
國外積極開展深空探測任務，如美國的旅行者號已到達太陽系邊緣，日本隼鳥號採樣了小行星的實物樣本，俄羅斯的探測器已經探測過月球、金星和火星，歐洲發射了10餘個探測器最遠探測到土星和彗星、甚至印度都發射了火星探測器。反觀我國，在深空探測領域尚處起步階段。我國自2003年開始了嫦娥計劃，開始了我國深空探測的嘗試，僅僅實現了月球探測，嚴重落後於美國、俄羅斯、歐洲及亞洲鄰國。目前我國深空導航主要依賴傳統的統一S波段測控（USB）系統和中科院甚長基線干涉測量（very long baseline interferometer，VLBI）深空探測系統。由於受我國地域環境限制，VLBI站的部署無法做到全球布站。隨著我國深空探測的腳步加快，深空飛行的距離越來越遠，對深空探測器的導航精度提出了更高的要求。
脈衝星導航是國際公認的深空導航的有效手段之一，其優點是導航精度不隨深空飛行距離的增加而下降。及時規劃脈衝星觀測和開展脈衝星導航技術實驗，可以支撐我國後續深空探測和空間技術實驗的實施，進而為我國深空探測技術的發展提供基礎支撐。
脈衝星導航的原理
脈衝星距離地球有上千光年的距離，廣泛地分布在銀河系的各個方向。飛船離某顆脈衝星越近，接收到它的脈衝信號的時間就會越提前。相反地，飛船離某顆脈衝星越遠，脈衝信號的到達時間就會被推遲，據此人們可以計算出飛船相對於脈衝星的位置。與此同時，當飛船向著某顆脈衝星飛行時，由於多普勒效應，波在波源移向觀察者時接收頻率變高，而在波源遠離觀察者時接收頻率變低，飛船觀測到的脈衝星發出脈衝的間隔將由於多普勒效應而減小；當飛船背離某顆脈衝星飛行時，飛船觀測到的這顆脈衝星發出的脈衝間隔就會增加。
脈衝星對飛行器的定軌示意（來源：http://www.cannews.com.cn/2016/1205/161334.shtml）
與衛星導航類似，以同一個脈衝信號到達太陽系質心的時間與到達航天器的時間差為觀測量，構造X射線脈衝星導航測量方程；該方程有4個未知數，包括3個位置坐標分量和1個時鐘偏差量；通過同時探測4顆脈衝星，或每個弧段觀測1顆脈衝星並結合航天器軌道動力學模型，求解4個未知數，實現航天器自主導航，以此實現飛船自身的定位和導航。
脈衝星導航示意圖（來源：http://www.newhua.com/2012/0330/153000.shtml）
脈衝星導航的未來
脈衝星導航在我國得到了科學驗證，中科院高能物理所專家利用天宮二號上的伽瑪射線暴偏振探測器（POLAR）對蟹狀星雲脈衝星1個月的探測數據，完成了我國首次脈衝星導航空間實驗,實現了對天宮二號的定軌，從而驗證了脈衝星導航的可行性。
2017年6月15日，我國發射了硬X射線調製望遠鏡（HXMT）衛星，正在深入研究Crab等脈衝星的計時特徵，進一步理解脈衝星導航的基礎科學問題和關鍵技術問題，探索如何進一步提高脈衝星導航精度，以期最終獲得具有實用價值的脈衝星導航技術
（圖片來源：新華網）
也許，我們的地球不一定會去流浪，但是脈衝星可能是未來人類追尋宇宙奧秘的一座燈塔，為人類的太空探索之路「導航「！
參考文獻：
帥平丨《脈衝星 宇宙航行的燈塔》
鄭偉 王奕迪 湯建國 劉利丨《X射線脈衝星導航理論與應用》
天宮二號取得伽馬暴最佳偏振觀測結果 人民網
我國11月將發射全球首顆脈衝星導航試驗衛星 人民網
脈衝星導航，這事兒靠譜嗎？中科院物理所官微
本文得到了中科院空天信息研究院高級工程師 鄧平科的指導
出品：科普中國
製作：陳威屹（中國科學院空天信息研究院）
監製：中國科學院計算機網路信息中心
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《X射線脈衝星導航理論與應用》
《X射線脈衝星導航理論與應用》是作者及其團隊結合國內外最新進展、在總結提煉近10年研究成果的基礎上編寫而成。《X射線脈衝星導航理論與應用》共9章，首先論述了X射線脈衝星導航研究進展，接著介紹了X射線脈衝星導航的支撐理論，X射線脈衝星信號處理方法、定位、守時、定姿方法，系統論證了系統誤差的傳播機理，進而提出了相應的補償方法，建立了以X射線脈衝星觀測為主的多測量信息融合導航框架和基於X射線脈衝星觀測的衛星星座定向參數測定技術，設計並構建了X射線脈衝星導航地面模擬驗證系統。《X射線脈衝星導航理論與應用》的特點在於開創性地提出了一系列提升X射線脈衝星導航系統性能，拓展其應用範圍的措施，包括系統地分析了導航系統誤差的傳播機理，並提出相應的補償方法；提出了以X射線脈衝星觀測為主的多觀測信息融合導航方法，彌補了X射線脈衝星導航存在的觀測周期過長，難以適用於機動軌道等問題；提出了基於衛星間相對觀測脈衝星，控制衛星星座整體旋轉的方法，為實現自主抑制衛星星座整體旋轉提供了嶄新思路；設計並構建了X射線脈衝星導航地面模擬驗證系統，為系統地驗證該導航系統的性能提供了途徑。
（本期編輯：王 芳）
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