利用我國(guó)載人航天天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上的伽瑪射線暴偏振探測(cè)器（POLAR）對(duì)蟹狀星云脈沖星1個(gè)月的探測(cè)數(shù)據(jù)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和空間應(yīng)用中心的研究人員完成了我國(guó)首次脈沖星導(dǎo)航空間實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對(duì)天宮二號(hào)的定軌，學(xué)術(shù)論文已在《中國(guó)科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)》第9期正式發(fā)表。該團(tuán)隊(duì)提出了利用Crab觀測(cè)脈沖輪廓隨衛(wèi)星軌道變化的特性進(jìn)行脈沖星導(dǎo)航的新方法，通過(guò)建立天宮二號(hào)的軌道動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天宮二號(hào)的定軌，從而驗(yàn)證了所提出的方法的正確性和脈沖星導(dǎo)航的可行性。

越來(lái)越多的人造衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器將在太陽(yáng)系內(nèi)乃至恒星際間進(jìn)行深空旅行，此時(shí)GPS衛(wèi)星已無(wú)法為它們提供導(dǎo)航服務(wù)。依賴于無(wú)線電的導(dǎo)航技術(shù)（如美國(guó)建立的深空測(cè)控網(wǎng)等）的導(dǎo)航精度會(huì)隨著與地球距離的增加而變差，而利用拍攝天體照片的光學(xué)導(dǎo)航的使用范圍也受到多種因素的影響。X射線脈沖星導(dǎo)航技術(shù)是一項(xiàng)新型的自主導(dǎo)航方法，它利用宇宙中遙遠(yuǎn)的天體——脈沖星發(fā)出的脈沖信號(hào)對(duì)太空中的航天器提供導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。脈沖星時(shí)間信號(hào)的長(zhǎng)期時(shí)間穩(wěn)定度很高，可與地球上的原子鐘相媲美，可以作為宇宙中的時(shí)間基準(zhǔn),因此脈沖星也被稱作“宇宙燈塔”，“星際旅行中天然的GPS衛(wèi)星”等；同時(shí),脈沖星距離我們非常遙遠(yuǎn)，均在數(shù)百光年以上，不受近地環(huán)境的影響，可以滿足航天任務(wù)在不同軌道下的持續(xù)高精度導(dǎo)航需求。

目前已發(fā)現(xiàn)的脈沖星超過(guò)2000顆，通常認(rèn)為它們是一類高速轉(zhuǎn)動(dòng)的中子星,質(zhì)量大約是1.4倍太陽(yáng)質(zhì)量，轉(zhuǎn)動(dòng)周期從毫秒到數(shù)十秒不等。脈沖星具有很強(qiáng)的磁場(chǎng)（通常磁場(chǎng)強(qiáng)度在106-109特斯拉），其磁軸與轉(zhuǎn)動(dòng)軸有一定的夾角。脈沖星的一部分轉(zhuǎn)動(dòng)能量會(huì)在兩個(gè)磁極附近以電磁波形式輻射出來(lái)，當(dāng)輻射的方向指向地球時(shí)就可以被我們探測(cè)到。不同脈沖星由于其轉(zhuǎn)動(dòng)周期不同，輻射區(qū)幾何性質(zhì)各異，探測(cè)得到的脈沖形狀（即脈沖輪廓）也各不相同。

太空中的航天器通過(guò)對(duì)多顆脈沖星的實(shí)時(shí)探測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，如圖1所示。對(duì)于同一顆脈沖星，由于太陽(yáng)系質(zhì)心與脈沖星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度恒定不變，因此每一個(gè)脈沖達(dá)到太陽(yáng)系質(zhì)心的間隔都是恒定的,其脈沖輪廓也不變,稱為“標(biāo)準(zhǔn)輪廓”。當(dāng)航天器處于太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系中不同位置時(shí)，同一個(gè)脈沖達(dá)到航天器和到達(dá)太陽(yáng)系質(zhì)心的時(shí)間會(huì)不一樣；如果航天器朝向脈沖星運(yùn)動(dòng),脈沖間隔會(huì)縮短，反之，則會(huì)變長(zhǎng)，觀測(cè)得到的脈沖輪廓也隨之發(fā)生變化。通過(guò)分析航天器接收到的（不同方向）脈沖星脈沖信號(hào)的特點(diǎn)，就可以得到航天器在太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系之中的三維位置（或運(yùn)動(dòng)軌道）。    

1967年，脈沖星被Hewish和Bell發(fā)現(xiàn)，隨即， Downs在1974年提出了射電脈沖星導(dǎo)航概念，但由于射電探測(cè)設(shè)備過(guò)于龐大等原因而難以在工程上實(shí)現(xiàn)。由于X射線探測(cè)設(shè)備易于小型化，同時(shí)很多脈沖星在X射線波段的輻射能量高，1981年，Chester和Butman提出了X射線脈沖星導(dǎo)航的概念。1999年，美國(guó)在ARGOS衛(wèi)星上開(kāi)展了非常規(guī)恒星定位實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱USA實(shí)驗(yàn)），進(jìn)行脈沖星導(dǎo)航研究，但因其氣體探測(cè)器被隕石擊中而損壞，實(shí)驗(yàn)被迫終止。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，X射線脈沖星導(dǎo)航開(kāi)始得到越來(lái)越多的關(guān)注。2004年，歐空局發(fā)布了“基于脈沖星時(shí)間信息的航天器導(dǎo)航可行性研究”技術(shù)報(bào)告。2016年9月，中國(guó)天宮二號(hào)空間試驗(yàn)室發(fā)射升空，上面搭載的“天極望遠(yuǎn)鏡”——伽瑪射線暴偏振探測(cè)器（POLAR）開(kāi)展了脈沖星導(dǎo)航的國(guó)內(nèi)首次空間實(shí)驗(yàn)，11月，中國(guó)發(fā)射脈沖星試驗(yàn)星XPNAV-01，開(kāi)始開(kāi)展脈沖星探測(cè)及相關(guān)研究。2017年6月，美國(guó)NASA計(jì)劃在國(guó)際空間站上搭載NICER項(xiàng)目，開(kāi)展脈沖星自主導(dǎo)航試驗(yàn)。另外，俄羅斯也計(jì)劃在國(guó)際空間站上開(kāi)展脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)。

POLAR是我國(guó)載人航天的一個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目，由中國(guó)和瑞士共同研制，波蘭科學(xué)家也做出了一定的貢獻(xiàn)，主要用于伽瑪暴的偏振測(cè)量。2016年9月15日，POLAR搭載在天宮二號(hào)上發(fā)射升空，圖2中左圖為天宮二號(hào)及POLAR所在位置（紅色五角星所示），右圖為POLAR實(shí)物照片。POLAR是一個(gè)長(zhǎng)寬高分別是45 cm、45 cm和25 cm的長(zhǎng)方型探測(cè)設(shè)備，由1600根探測(cè)棒組成，能夠探測(cè)到視場(chǎng)（約一半天區(qū)）中能量在15-500keV范圍內(nèi)的X射線光子信號(hào)。隨著天宮二號(hào)繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，POLAR也完成一次對(duì)全天的探測(cè)。

目前，POLAR已經(jīng)在軌運(yùn)行半年多的時(shí)間，在此期間除了探測(cè)到數(shù)十個(gè)伽瑪暴事例外，還探測(cè)到了大量脈沖星信號(hào)，其中來(lái)自蟹狀星云脈沖星（即Crab脈沖星）的脈沖光子總量達(dá)到2千萬(wàn)以上。Crab脈沖星是宇宙中最著名的天體之一，它誕生于公元1054年的一次超新星爆發(fā)，該爆發(fā)被我們的祖先詳細(xì)地記錄在《宋史·天文志》中。它的自轉(zhuǎn)周期約33毫秒（每秒鐘轉(zhuǎn)動(dòng)約30次）,在X射線及軟γ射線波段輻射流強(qiáng)高、自轉(zhuǎn)周期在短時(shí)標(biāo)尺度上相對(duì)比較穩(wěn)定，是X射線脈沖星導(dǎo)航中重要的導(dǎo)航星之一。圖3左是哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)得到的Crab星云（Crab脈沖星位于星云內(nèi)部），右是POLAR觀測(cè)得到的Crab脈沖星的脈沖輪廓，具有清晰的雙峰結(jié)構(gòu)。    

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所和空間應(yīng)用中心的研究人員利用POLAR探測(cè)器1個(gè)月的探測(cè)數(shù)據(jù),開(kāi)展了脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。該團(tuán)隊(duì)提出了利用Crab觀測(cè)脈沖輪廓隨衛(wèi)星軌道變化的特性進(jìn)行脈沖星導(dǎo)航的新方法，通過(guò)建立天宮二號(hào)的軌道動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)天宮二號(hào)的定軌，從而驗(yàn)證了所提出的方法的正確性和脈沖星導(dǎo)航的可行性。

圖5分別給出了脈沖輪廓顯著性隨6個(gè)軌道參數(shù)（包括軌道半長(zhǎng)軸、偏心率、軌道傾角、升交點(diǎn)赤經(jīng)、近地點(diǎn)輻角、平近地點(diǎn)角）變化的曲線，從中可得到6個(gè)軌道參數(shù)的最優(yōu)解。與天宮二號(hào)的實(shí)際軌道數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得到其位置誤差約10km，和理論預(yù)期一致。該團(tuán)隊(duì)將充分利用已有觀測(cè)數(shù)據(jù)和即將發(fā)射的硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）等X射線衛(wèi)星的新數(shù)據(jù)，研究Crab等脈沖星的計(jì)時(shí)特征，進(jìn)一步理解脈沖星導(dǎo)航的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，探索如何進(jìn)一步提高脈沖星導(dǎo)航精度，以期最終獲得具有實(shí)用價(jià)值的脈沖星導(dǎo)航技術(shù)。    

（看看新聞Knews記者：湯銘  實(shí)習(xí)編輯：薛晨）