本刊特約記者 梁亞坤 紫曉

航天前沿技術(shù)發(fā)展的新跨越—訪“脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星”工程科學(xué)任務(wù)系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師帥平

An Interview with Shuai Ping, Chief Designer of XPNAV Satellite

本刊特約記者 梁亞坤 紫曉

2016年11月10日，中國(guó)航天科技集團(tuán)公司所屬中國(guó)空間技術(shù)研究院研制的首顆“脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星”（XPNAV-1）在酒泉發(fā)射升空，開(kāi)展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)空間飛行試驗(yàn)研究。脈沖星為什么可以用于航天器自主導(dǎo)航？脈沖星導(dǎo)航將會(huì)給航天前沿技術(shù)發(fā)展帶來(lái)哪些顛覆性變革？XPNAV-1衛(wèi)星工程的實(shí)施對(duì)航天技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展又有哪些啟示呢？帶著這些問(wèn)題，本刊特約記者采訪了XPNAV-1衛(wèi)星工程科學(xué)任務(wù)系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師、中國(guó)空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室?guī)浧窖芯繂T。

記者：脈沖星導(dǎo)航是一個(gè)全新的航天前沿技術(shù)研究領(lǐng)域，究竟什么是脈沖星，什么又是脈沖星導(dǎo)航呢？

帥平：我們可觀測(cè)到的宇宙有數(shù)千億個(gè)星系，每個(gè)星系又是由數(shù)千億顆恒星組成的。恒星是構(gòu)成星系的基本單元，是宇宙中最主要的天體，其一生也像人一樣，經(jīng)歷從孕育到誕生、成長(zhǎng)、成熟、衰老和死亡的整個(gè)過(guò)程。大體上說(shuō)來(lái)，恒星死亡后的遺骸可以分為三類：中子星、白矮星和黑洞。脈沖星是高速自轉(zhuǎn)的中子星，其典型半徑僅有10km，質(zhì)量卻是太陽(yáng)的1.44～3.2倍，每立方厘米的脈沖星質(zhì)量達(dá)1.0×109t，是除黑洞外密度最大的天體，其引力強(qiáng)大到讓光成為拋物線才能掙脫。

脈沖星的自轉(zhuǎn)軸與磁極軸之間有一個(gè)夾角，兩個(gè)磁極各產(chǎn)生一個(gè)輻射波束。當(dāng)星體自轉(zhuǎn)且磁極波束掃過(guò)安裝在地面或航天器上的探測(cè)設(shè)備時(shí)，探測(cè)設(shè)備就能夠接收到一個(gè)脈沖信號(hào)。脈沖星在射電、紅外、可見(jiàn)光、紫外、X射線和γ射線等電磁波頻段都產(chǎn)生信號(hào)輻射。通常把在射電頻段上輻射信號(hào)的脈沖星稱為射電脈沖星，把在X射線頻段上輻射信號(hào)的脈沖星稱為X射線脈沖星。X射線屬于高能射線，集中了脈沖星絕大部分輻射能量，易于小型化設(shè)備探測(cè)與處理，但難于穿過(guò)地球稠密大氣層，因此只能在地球大氣層外空間才能觀測(cè)到。脈沖星的自轉(zhuǎn)周期一般為1.4ms～8.5s，且具有良好的周期穩(wěn)定度，尤其是毫秒脈沖星的周期穩(wěn)定度是目前最穩(wěn)定的氫原子鐘的10000倍還多，被譽(yù)為自然界最穩(wěn)定的天文時(shí)鐘，使之能夠成為人類在宇宙中航行的燈塔。

脈沖星導(dǎo)航就是以脈沖星輻射的X射線信號(hào)作為天然信標(biāo)，航天器自主測(cè)定位置、速度、時(shí)間和姿態(tài)等導(dǎo)航參數(shù)的過(guò)程。脈沖星導(dǎo)航是以太陽(yáng)系質(zhì)心作為時(shí)空基準(zhǔn)點(diǎn)。太陽(yáng)系質(zhì)心是太陽(yáng)系的質(zhì)量中心，也是太陽(yáng)系中最穩(wěn)定的點(diǎn)，位于太陽(yáng)表面附近靠木星一側(cè)，太陽(yáng)及其行星均圍繞該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。脈沖星導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航的原理相似，二者的基本觀測(cè)量都是距離。脈沖星導(dǎo)航的觀測(cè)距離是利用同一個(gè)X射線脈沖信號(hào)到達(dá)太陽(yáng)系質(zhì)心和航天器的時(shí)間差來(lái)測(cè)定的；衛(wèi)星導(dǎo)航的觀測(cè)距離是利用從導(dǎo)航衛(wèi)星播發(fā)的偽隨機(jī)噪聲信號(hào)至用戶終端的到達(dá)時(shí)間來(lái)測(cè)定的。

記者：實(shí)現(xiàn)脈沖星導(dǎo)航工程應(yīng)用，需要解決哪些科學(xué)問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)？

帥平：脈沖星導(dǎo)航需要解決三大科學(xué)問(wèn)題：一是“看得見(jiàn)”問(wèn)題，即脈沖星探測(cè)問(wèn)題，安裝在航天器平臺(tái)上的輕小型探測(cè)器能否提取具有足夠信噪比的導(dǎo)航脈沖信號(hào)。二是“測(cè)得準(zhǔn)”問(wèn)題，即星際航圖構(gòu)建問(wèn)題，如何快速構(gòu)建具有高精度的計(jì)時(shí)模型、脈沖星角位置和標(biāo)準(zhǔn)輪廓的導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)，解決脈沖星導(dǎo)航的“電子地圖”問(wèn)題。三是“用得上”問(wèn)題，即大尺度導(dǎo)航問(wèn)題，在經(jīng)典牛頓理論框架下的近地空間導(dǎo)航，三維位置坐標(biāo)和一維時(shí)間坐標(biāo)相互獨(dú)立，坐標(biāo)系是可以平移的；在廣義相對(duì)論理論框架下，時(shí)間和位置坐標(biāo)是相互關(guān)聯(lián)的，坐標(biāo)變換是大尺度宇宙空間的四維時(shí)空變換。這就是如何實(shí)現(xiàn)大尺度宇宙空間的高精度導(dǎo)航問(wèn)題。

針對(duì)三大科學(xué)問(wèn)題，脈沖星導(dǎo)航需要攻克6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，可以歸結(jié)為：1套硬件，即X射線探測(cè)器；2個(gè)實(shí)現(xiàn)，即時(shí)間保持和自主導(dǎo)航；3項(xiàng)基礎(chǔ)，即數(shù)據(jù)庫(kù)、時(shí)空基準(zhǔn)和時(shí)間轉(zhuǎn)換。

記者：脈沖星導(dǎo)航與衛(wèi)星導(dǎo)航有什么區(qū)別？實(shí)現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航有什么重要意義和潛在應(yīng)用？

帥平：脈沖星導(dǎo)航是以脈沖星發(fā)射的X射線信號(hào)為天然信標(biāo)，在太陽(yáng)系質(zhì)心坐標(biāo)系下，通過(guò)測(cè)量脈沖到達(dá)時(shí)間，航天器自主測(cè)定導(dǎo)航參數(shù)的過(guò)程；衛(wèi)星導(dǎo)航是以導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的微波測(cè)距碼信號(hào)為信標(biāo)，在地球質(zhì)心坐標(biāo)系下，通過(guò)測(cè)量測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)時(shí)間，用戶接收機(jī)測(cè)定導(dǎo)航參數(shù)的過(guò)程。

航天器自主導(dǎo)航具有極其重要的工程應(yīng)用價(jià)值和戰(zhàn)略研究意義，一直是世界各航天大國(guó)推動(dòng)航天技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力和目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航，一方面可以減輕地面測(cè)控系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，減少測(cè)控站的布設(shè)數(shù)量和地面站至航天器的信息注入次數(shù)，降低航天器（星座）系統(tǒng)建設(shè)和長(zhǎng)期運(yùn)行維持費(fèi)用；另一方面，減少航天器對(duì)地面測(cè)控系統(tǒng)的依賴，增強(qiáng)系統(tǒng)自主生存能力。然而，目前航天器仍然依賴地面測(cè)控系統(tǒng)來(lái)完成導(dǎo)航任務(wù)，尚未實(shí)現(xiàn)真正意義上的自主導(dǎo)航。脈沖星導(dǎo)航是用于航天器的導(dǎo)航，是實(shí)現(xiàn)航天器的長(zhǎng)時(shí)間高精度自主導(dǎo)航最有希望取得突破的技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)航天器長(zhǎng)時(shí)間高精度自主導(dǎo)航，尤其是導(dǎo)航星座長(zhǎng)時(shí)間自主運(yùn)行具有重要的工程價(jià)值和戰(zhàn)略研究意義，但這僅是脈沖星導(dǎo)航潛在應(yīng)用的一個(gè)方面。同時(shí)，通過(guò)脈沖星導(dǎo)航研究，還可以構(gòu)建天地一體脈沖星時(shí)間系統(tǒng)，增強(qiáng)現(xiàn)有的原子時(shí)體系；在航天器上產(chǎn)生X射線，拓展空間X射線主動(dòng)導(dǎo)航與通信能力；脈沖星導(dǎo)航涉及12個(gè)一級(jí)學(xué)科和21個(gè)二級(jí)學(xué)科，促進(jìn)多科學(xué)交叉領(lǐng)域研究。雖然脈沖星導(dǎo)航應(yīng)用前景振奮人心，但是脈沖星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)是否可行，誰(shuí)也不知道。因此，才有必要發(fā)射專用試驗(yàn)衛(wèi)星，開(kāi)展脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。

記者：XPNAV-1衛(wèi)星工程的科學(xué)任務(wù)目標(biāo)是什么？

帥平：XPNAV-1衛(wèi)星搭載了2種類型的探測(cè)器載荷：一是聚焦型探測(cè)器，聚焦鏡頭口徑為17cm；另一個(gè)是準(zhǔn)直型微通道板探測(cè)器，探測(cè)面積為2400cm2。該衛(wèi)星工程有3個(gè)科學(xué)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)：一是實(shí)測(cè)驗(yàn)證2種類型的X射線探測(cè)器性能，研究空間背景噪聲及探測(cè)器響應(yīng)機(jī)制；二是探測(cè)蟹狀星云（Crab）脈沖星或脈沖X射線雙星系統(tǒng)，提取脈沖星輪廓，解決用中國(guó)研制的探測(cè)器“看得見(jiàn)”X射線脈沖星的問(wèn)題，這是本次空間飛行試驗(yàn)的核心目標(biāo)；三是嘗試長(zhǎng)時(shí)間累積觀測(cè)3顆低流量脈沖星，建立試驗(yàn)型數(shù)據(jù)庫(kù)，探索驗(yàn)證脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)體制的可行性。

蟹狀星云脈沖星的流量是1.54個(gè)光子/（s·cm2），而低流量脈沖星只有0.001個(gè)光子/（s·cm2），探測(cè)難度更大，但是更有希望用于導(dǎo)航。這是因?yàn)榈土髁棵}沖星大量存在，同時(shí)不會(huì)像蟹狀星云脈沖星那樣因?yàn)橹芷谲S變而導(dǎo)致穩(wěn)定度下降。如果能探測(cè)到3顆低流量脈沖星，那么就可以實(shí)測(cè)驗(yàn)證脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的可行性。

記者：發(fā)射XPNAV-1衛(wèi)星，對(duì)于推動(dòng)航天技術(shù)原始創(chuàng)新有何種借鑒意義？

帥平：我國(guó)正從航天大國(guó)向航天強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，原始創(chuàng)新是必由之路。2004年，美國(guó)提出脈沖星導(dǎo)航研究計(jì)劃，但有些專家認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)很大。中國(guó)空間技術(shù)研究院以嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和創(chuàng)新研發(fā)的管理模式，認(rèn)識(shí)到導(dǎo)航脈沖星導(dǎo)航的重大戰(zhàn)略機(jī)遇，同時(shí)識(shí)別和規(guī)避技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，自主投入研制一顆低成本脈沖星試驗(yàn)衛(wèi)星。2016年11月10日，XPNAV-1衛(wèi)星發(fā)射成功；11月18日，美國(guó)《大眾科學(xué)》（Popular Science）月刊評(píng)論：XPNAV-1是全球第一顆脈沖星導(dǎo)航專項(xiàng)試驗(yàn)衛(wèi)星，超越美國(guó)航空航天局（NASA）的脈沖星導(dǎo)航計(jì)劃，搶先開(kāi)展空間飛行試驗(yàn)。同時(shí)，NASA空間科學(xué)數(shù)據(jù)協(xié)作庫(kù)將XPNAV-1衛(wèi)星納入其中，編號(hào)為NSSDCA/COSPAR ID 2016-066A，并設(shè)計(jì)XPNAV-1衛(wèi)星專門(mén)網(wǎng)頁(yè)，填充科學(xué)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果。XPNAV-1衛(wèi)星工程任務(wù)的成功實(shí)施，提升了我國(guó)在該領(lǐng)域的創(chuàng)新能力和國(guó)際影響力，具有重要的發(fā)展戰(zhàn)略意義。

脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)研究具有技術(shù)復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)難度大、多學(xué)科交叉和創(chuàng)新性強(qiáng)等特點(diǎn)，是一項(xiàng)長(zhǎng)期發(fā)展的事業(yè)。開(kāi)展脈沖星導(dǎo)航創(chuàng)新研究，不僅需要科研人員具有研究的興趣和激情，更需要培育一種團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)創(chuàng)新研究的氛圍和文化。科研創(chuàng)新包含4個(gè)基本要素：創(chuàng)新的激勵(lì)、創(chuàng)新的投入、創(chuàng)新的管理和創(chuàng)新的文化。其中，前3個(gè)要素都是外在的、政策性的，在短期內(nèi)可以保障的；而創(chuàng)新的文化卻是內(nèi)在的、最核心的，需要長(zhǎng)期培育和積累。在“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”的時(shí)代背景下，中國(guó)空間技術(shù)研究院也面臨著科研創(chuàng)新的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。通過(guò)脈沖星導(dǎo)航技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)管理的實(shí)施，培育了一種科研創(chuàng)新的文化。自2005年中國(guó)空間技術(shù)研究院開(kāi)展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)研究以來(lái)，尤其是最近5年，在上級(jí)主管部門(mén)的大力支持下，研究團(tuán)隊(duì)刻苦攻關(guān)，攻克了探測(cè)器、數(shù)據(jù)庫(kù)、時(shí)間保持和大尺度導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù)，申請(qǐng)發(fā)明專利51件，獲得軟件著作權(quán)11項(xiàng)，獲得“宇宙燈塔”注冊(cè)商標(biāo)1項(xiàng)，制作脈沖星導(dǎo)航系列科普專題片5部，出版學(xué)術(shù)論著2部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，以及發(fā)布探測(cè)器產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)等，共同構(gòu)筑了脈沖星導(dǎo)航技術(shù)創(chuàng)新的文化，推動(dòng)航天前沿技術(shù)跨越發(fā)展。

記者：在此次脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗(yàn)之后，接下來(lái)研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃開(kāi)展哪些工作？

帥平：此次脈沖星導(dǎo)航飛行試驗(yàn)僅僅是“萬(wàn)里長(zhǎng)征”邁出的第一步。在上級(jí)主管機(jī)關(guān)的領(lǐng)導(dǎo)和支持下，中國(guó)空間技術(shù)研究院脈沖星導(dǎo)航研究團(tuán)隊(duì)將聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所，大力協(xié)同，集智攻關(guān)。計(jì)劃通過(guò)5～10年的努力，研制大面陣數(shù)據(jù)庫(kù)型探測(cè)器和輕型化導(dǎo)航型探測(cè)器；構(gòu)建由若干顆衛(wèi)星組成的空間基準(zhǔn)星座；構(gòu)建滿足工程應(yīng)用要求的脈沖星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)；建立天地一體的脈沖星時(shí)間基準(zhǔn)系統(tǒng)等。脈沖星導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)技術(shù)難度大，創(chuàng)新性強(qiáng)，幾乎無(wú)先例可循。因此，這是值得托付一生的事業(yè)?！爸灰覀兏矣趬?mèng)想，我們就能夠?qū)崿F(xiàn)！”這是脈沖星導(dǎo)航研究團(tuán)隊(duì)的座右銘和誓言。