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脉冲星导航试验卫星

2016年发射的试验卫星

2016年10月8日恰逢中国航天事业创建60周年。中国于11月择机发射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体制的可行性。

研发背景
脉冲星导航的概念早在20世纪70年代就已被提出，它可为人造卫星、宇宙飞船提供导航。不过，以往提出的基于脉冲星射电信号的航天器自主轨道确定方法存在明显缺陷，X射线脉冲星导航技术研究也仅停留在关键技术研究与地面验证阶段。
据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研究员介绍：脉冲星导航系统并非直接对地面进行导航，而是对近地轨道卫星、深空探测及星际飞行器进行导航。“其实就是利用脉冲星发射的X射线信号作为天然信标，引导航天器在宇宙空间自由航行。”
试验目标
“11月择机发射的世界上首颗脉冲星导航试验卫星搭载了两种类型的探测器载荷：一个是准直型微通道板探测器，探测面积为2400平方厘米；另一个是聚焦型探测器，聚焦镜头口径为17厘米。”帅平说。
这颗卫星有三个试验目标：第一，上天实测两种不同类型的探测器性能，同时利用探测器研究宇宙的背景噪声；第二，探测蟹状星云脉冲星（Crab），解决中国研制的探测器“看得见”脉冲星的问题；第三，探测3颗低流量脉冲星。
研发意义
这一次，中国不再跟随美欧的脚步，而要成为“第一个吃螃蟹的人”。帅平说。
“我们打算通过5到10年的努力，探测26颗脉冲星，建立脉冲星导航数据库。”帅平说，如果能够建成以脉冲星为基准的时间系统，也许能够实现“航天器长时间无需人来照料，对表时间将是脉冲星时间”这一想法。
发射目的
航天科技集团第五研究院于2016年11月择机发射全球首颗脉冲星导航试验卫星(XPNAV－1)，其目的是探索宇宙中那些最神秘的脉冲星，验证基于X射线脉冲星的航天器自主导航技术可行性，以抢占世界航天前沿技术战略制高点。
脉冲星是死亡恒星的一种，属于高速自转的中子星，它的典型半径仅有10公里，其质量却在1.44倍至3.2倍太阳质量之间，是除黑洞外密度最大的天体。值得一提的是，脉冲星具有极其稳定的周期，其稳定度比目前最稳定的氢原子钟还要高1万倍以上，被誉为自然界最精准的天文时钟。
这也是脉冲星能够运用于的原因所在。航天科技集团五院脉冲星导航试验卫星科学任务系统总设计师帅平说，和陀螺的原理一样，脉冲星转得快、质量大、半径小，因此它的每次旋转非常稳定。目前，已发现和编目的脉冲星达到2000多颗，其中约有160多颗脉冲星具有良好的X射线周期辐射特性，可以作为导航候选星。
与传统的卫星导航不同，脉冲星导航不能直接对地面进行导航，而是对近地轨道卫星、深空探测及星际飞行器进行导航。这是因为，X射线属于高能光子，难于穿过地球稠密大气层，只能在地球大气层外空间观测到。
打一个比方来概括脉冲星导航原理就是：X射线脉冲星作为宇宙中的“灯塔”，依靠自身发出的极为稳定的X射线脉冲信号，为近地轨道、深空探测和星际飞行航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等丰富的自主导航信息服务，从而实现航天器长时间高精度自主导航与精密控制，具有广阔的工程应用前景。
“如果我们能够实现脉冲星的导航，不用再从地面对卫星进行追踪测量，它将自行整理数据发回，告诉地球我在哪儿。”帅平说，一颗卫星每年维护费用高达6000万美元，包括设备、地面站布设，但如果实现自主运行，会大大减轻地面测控站的负担、费用和工作量，不过，他也强调，要达到这一点是很难的。
帅平提到，此次脉冲星导航试验卫星能解决三个问题——“看得见”、“测得准”、“用得上”。即在轨试验验证自主研制的X射线脉冲星探测器，进行X射线脉冲星观测，验证脉冲星导航技术体制、探索新型导航技术。
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