利用我國載人航天天宮二號空間實驗室上的伽瑪射線暴偏振探測器（POLAR）對蟹狀星云脈沖星1個月的探測數(shù)據(jù)，中國科學(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首次脈沖星導(dǎo)航空間實驗,實現(xiàn)了對天宮二號的定軌，學(xué)術(shù)論文已在《中國科學(xué)：物理學(xué)力學(xué)天文學(xué)》第9期正式發(fā)表。該團隊提出了利用Crab觀測脈沖輪廓隨衛(wèi)星軌道變化的特性進行脈沖星導(dǎo)航的新方法，通過建立天宮二號的軌道動力學(xué)模型，實現(xiàn)了對天宮二號的定軌，從而驗證了所提出的方法的正確性和脈沖星導(dǎo)航的可行性。

越來越多的人造衛(wèi)星、宇宙飛船等航天器將在太陽系內(nèi)乃至恒星際間進行深空旅行，此時GPS衛(wèi)星已無法為它們提供導(dǎo)航服務(wù)。依賴于無線電的導(dǎo)航技術(shù)（如美國建立的深空測控網(wǎng)等）的導(dǎo)航精度會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)是一項新型的自主導(dǎo)航方法，它利用宇宙中遙遠的天體——脈沖星發(fā)出的脈沖信號對太空中的航天器提供導(dǎo)航和授時服務(wù)。脈沖星時間信號的長期時間穩(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,脈沖星距離我們非常遙遠，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2000顆，通常認為它們是一類高速轉(zhuǎn)動的中子星,質(zhì)量大約是1.4倍太陽質(zhì)量，轉(zhuǎn)動周期從毫秒到數(shù)十秒不等。脈沖星具有很強的磁場（通常磁場強度在106-109特斯拉），其磁軸與轉(zhuǎn)動軸有一定的夾角。脈沖星的一部分轉(zhuǎn)動能量會在兩個磁極附近以電磁波形式輻射出來，當(dāng)輻射的方向指向地球時就可以被我們探測到。不同脈沖星由于其轉(zhuǎn)動周期不同，輻射區(qū)幾何性質(zhì)各異，探測得到的脈沖形狀（即脈沖輪廓）也各不相同。

太空中的航天器通過對多顆脈沖星的實時探測，可以實現(xiàn)自主導(dǎo)航，如圖1所示。對于同一顆脈沖星，由于太陽系質(zhì)心與脈沖星之間的相對運動速度恒定不變，因此每一個脈沖達到太陽系質(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)航天器處于太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系中不同位置時，同一個脈沖達到航天器和到達太陽系質(zhì)心的時間會不一樣；如果航天器朝向脈沖星運動,脈沖間隔會縮短，反之，則會變長，觀測得到的脈沖輪廓也隨之發(fā)生變化。通過分析航天器接收到的（不同方向）脈沖星脈沖信號的特點，就可以得到航天器在太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系之中的三維位置（或運動軌道）。    

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，但由于射電探測設(shè)備過于龐大等原因而難以在工程上實現(xiàn)。由于X射線探測設(shè)備易于小型化，同時很多脈沖星在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，美國在ARGOS衛(wèi)星上開展了非常規(guī)恒星定位實驗（簡稱USA實驗），進行脈沖星導(dǎo)航研究，但因其氣體探測器被隕石擊中而損壞，實驗被迫終止。進入21世紀以來，X射線脈沖星導(dǎo)航開始得到越來越多的關(guān)注。2004年，歐空局發(fā)布了“基于脈沖星時間信息的航天器導(dǎo)航可行性研究”技術(shù)報告。2016年9月，中國天宮二號空間試驗室發(fā)射升空，上面搭載的“天極望遠鏡”——伽瑪射線暴偏振探測器（POLAR）開展了脈沖星導(dǎo)航的國內(nèi)首次空間實驗，11月，中國發(fā)射脈沖星試驗星XPNAV-01，開始開展脈沖星探測及相關(guān)研究。2017年6月，美國NASA計劃在國際空間站上搭載NICER項目，開展脈沖星自主導(dǎo)航試驗。另外，俄羅斯也計劃在國際空間站上開展脈沖星導(dǎo)航試驗。

POLAR是我國載人航天的一個國際合作項目，由中國和瑞士共同研制，波蘭科學(xué)家也做出了一定的貢獻，主要用于伽瑪暴的偏振測量。2016年9月15日，POLAR搭載在天宮二號上發(fā)射升空，圖2中左圖為天宮二號及POLAR所在位置（紅色五角星所示），右圖為POLAR實物照片。POLAR是一個長寬高分別是45 cm、45 cm和25 cm的長方型探測設(shè)備，由1600根探測棒組成，能夠探測到視場（約一半天區(qū)）中能量在15-500keV范圍內(nèi)的X射線光子信號。隨著天宮二號繞地球轉(zhuǎn)動一圈，POLAR也完成一次對全天的探測。

目前，POLAR已經(jīng)在軌運行半年多的時間，在此期間除了探測到數(shù)十個伽瑪暴事例外，還探測到了大量脈沖星信號，其中來自蟹狀星云脈沖星（即Crab脈沖星）的脈沖光子總量達到2千萬以上。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)動約30次）,在X射線及軟γ射線波段輻射流強高、自轉(zhuǎn)周期在短時標(biāo)尺度上相對比較穩(wěn)定，是X射線脈沖星導(dǎo)航中重要的導(dǎo)航星之一。圖3左是哈勃望遠鏡觀測得到的Crab星云（Crab脈沖星位于星云內(nèi)部），右是POLAR觀測得到的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探測器1個月的探測數(shù)據(jù),開展了脈沖星導(dǎo)航實驗。該團隊提出了利用Crab觀測脈沖輪廓隨衛(wèi)星軌道變化的特性進行脈沖星導(dǎo)航的新方法，通過建立天宮二號的軌道動力學(xué)模型，實現(xiàn)了對天宮二號的定軌，從而驗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個軌道參數(shù)（包括軌道半長軸、偏心率、軌道傾角、升交點赤經(jīng)、近地點輻角、平近地點角）變化的曲線，從中可得到6個軌道參數(shù)的最優(yōu)解。與天宮二號的實際軌道數(shù)據(jù)進行比對，得到其位置誤差約10km，和理論預(yù)期一致。該團隊將充分利用已有觀測數(shù)據(jù)和即將發(fā)射的硬X射線調(diào)制望遠鏡（HXMT）等X射線衛(wèi)星的新數(shù)據(jù)，研究Crab等脈沖星的計時特征，進一步理解脈沖星導(dǎo)航的基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題，探索如何進一步提高脈沖星導(dǎo)航精度，以期最終獲得具有實用價值的脈沖星導(dǎo)航技術(shù)。    

（看看新聞Knews記者：湯銘  實習(xí)編輯：薛晨）