脈沖星輻射機制的燈塔模型

看太陽東升西落，望星辰布列夜空，這是文明開啟以來就出現的天文定向導航方法，其簡便易行不言而喻。天體能夠定位導航的常識啟迪了當代人的創造思維，于是在上世紀后期利用人造衛星構成的環繞地球的星座，創設了全球定位系統（GPS）。環繞地球軌道的GPS定位系統能夠為戰車、戰艦、戰機、遠程兵器等提供全天候、全天時、高精度導航定位信息服務。隨著未來太空戰場的形成，必然出現在高地球軌道和星際飛行的航天器。我們知道，以地球用戶為服務對象的GPS星 座，對于遠離地球在太陽系或銀河系飛行的航天器是難以提供有效導航服務的。于是，科學家開始尋找能夠為星際航天器導航的天體。1967年，英國劍橋大學的 科學家發現了首顆射電脈沖星及其導航潛能。從此，科學家以前瞻的眼光與極大的熱情，開始了射電脈沖星導航的理論與方法的研究。

射電脈沖星

射電脈沖星是高速旋轉的中子星。中子星是一種幾乎由中子構成的天體，是大質量恒星演化、坍縮的結果，是超新星爆發的遺跡，是一種具有超高密度、超高溫度、 超強磁場、超強輻射和超強引力場的天體。一顆半徑10公里的中子星的質量與太陽相當，其核心密度達到了地球人難以置信的程度，每立方厘米質量竟然達10億 噸。

半個世紀以來，科學家陸續發現了多顆射電脈沖星。目前發現和編目的脈沖星已達到2000多顆。這些脈沖星在射電、紅外、可見光、紫外、x射線和γ射線頻譜 段具有脈沖輻射性能。其中，十多顆脈沖星具有良好的x射線周期性輻射特性，具有可為星際航天器定位導航的潛能。X射線脈沖星自轉周期范圍從幾毫秒到10余 秒，周期穩定性極好，毫秒級脈沖星被譽為自然界最穩定的時鐘。脈沖星的兩個磁極各有一個輻射波束，根據星體自轉情況，周期性地向航天器上的探測設備發射脈 沖信號，從而為那些星際旅行的航天器指引方向。可以說，脈沖星猶如太空之海永不熄滅的燈塔，是天造地設的導航標識。

射電脈沖星導航

我們知道，用戶同時接收三顆及三顆以上的GPS衛星信號，就能推算出測量地點的三維坐標。同理，星際航天器搭載的射線探測器在某一時刻同時接收來自三顆以上的射電脈沖星信號，就能推算出相關定位信息，達到實時導航的目的。GPS信號容易受到人為的干擾而失真，GPS星座還可能被摧毀，因此，GPS在未來太空戰爭中的作用具有局限性。而射電脈沖星信號有更強的抗干擾能力，人們也無法摧毀射電脈沖星，這是射電脈沖星定位導航的優勢所在。

利用脈沖星導航定位需要解決兩大方面的問題。一是要測定用于定位的脈沖星星座。首先要尋找適合用來定位的射電脈沖星，目前已找到十多顆。進而探測它們的物 理特征，測定它們在太陽系質心坐標系中的坐標，設計相應的計時模型和測算模型，編制射電脈沖星定位星座目錄。二是要制造高水平射線探測器。射線探測器由射 線成像儀和光子記數器組成，用于探測和接收來自射電脈沖星的信號。由于射電脈沖星的脈沖信號非常微弱，需要極高靈敏度、極快的響應時間。航天器上搭載的射 線探測器要能夠及時捕獲射電脈沖信號，為測算航天器飛行軌道、位置、姿態等提供數據。

射電脈沖星在導航方面的潛能吸引著科學家們前赴后繼的探索。1971年，美國科學家描述了使用射電脈沖星作為時鐘的設想。1974年，美國科學家首次提出 航天器利用射電脈沖星自主確定軌道的方法。該方法要求射電望遠鏡口徑為20米，24小時接收信號，定軌精度約為150公里。盡管這種自主定軌方法暫時難以 在工程上實現，但是利用脈沖星為航天器導航的創新思路具有革命性意義。1981年，美國通信系統研究所的科學家提出利用x射線脈沖星為星際飛行器導航的構 想，設計了口徑較小的探測器，減少了處理脈沖信號必需的時間，從理論到方法上證明了射電脈沖星導航的可行性。

開發前景廣闊

在當代信息化戰爭中，奪取制信息權是贏得戰爭的關鍵。美軍在科索沃戰爭、阿富汗戰爭、伊拉克戰爭中，成功地利用GPS為現代兵器提供實時的導航定位信息，實施了令世人刮目相看的精確打擊。可以說GPS成為美軍贏得戰爭勝利的殺手锏。但是，GPS也有“死穴”，其信號容易受到人為的干擾，而出現誤導。面對這種情況，美軍一方面改進GPS的性能，提高抗干擾的能力，另一方面，致力于射電脈沖星導航的研究與開發，并將該計劃納入美國國防部長期發展戰略規劃綱要。

2004年初，美國國防部高級研究項目局提出了《基于x射線源的自主導航定位驗證》的預研計劃。2004年8月，美國宇航局和海軍天文臺等多家單位擬定和 啟動了脈沖星導航的研究計劃。脈沖星導航研究尚處于預研階段，還面臨一系列工程技術問題需要解決，美國憑借在衛星導航領域的技術優勢，在工程開發方面取得 階段性突破是可以期待的。而且，屬于基礎性、前瞻性和戰略性研究的射電脈沖星導航的潛在價值，將成為該項研究深入開展的強大推動力。

毫無疑問，射電脈沖星導航定位將帶來太空飛行器位置、姿態和時間測定的一場新的革命。未來日益增長的高地球軌道飛行和星際飛行的導航任務將可能依托射電脈沖星導航系統來完成。在近地軌道導航領域，射電脈沖星定位將成為 GPS的備份與補充。應該相信，隨著對射電脈沖星定位的深入研究與開發，在未來太空戰爭中，太空兵器依托射電脈沖星定位系統獲得自主導航能力的前景是十分廣闊的。

射電脈沖星導航原理示意圖