流浪地球中，吳京駕駛的飛船是咋導(dǎo)航的？影片沒有介紹，感覺空間站就是一路尾隨地球在跑，太空中飛船的穿越導(dǎo)航問題是重中之重，流浪的地球也要有方向，要不然“流浪地球”就成了“星際迷航”。導(dǎo)航對于生活在地球上的我們是無處不在的。下載到手機(jī)里的一個(gè)地圖APP就能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，其實(shí)各種手機(jī)里的“地圖”導(dǎo)航其實(shí)質(zhì)就是利用人造地球衛(wèi)星的手段實(shí)現(xiàn)對地導(dǎo)航定位，地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測到4顆衛(wèi)星，接收機(jī)測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，構(gòu)建四個(gè)方程，解方程組就得到接收機(jī)位置。???? ?

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衛(wèi)星定位原理圖（自制）?????

　　誰來為航天器導(dǎo)航？???????

　　??? 但是航天器在太空中又該如何導(dǎo)航呢？脈沖星！???? ?

脈沖星燈塔模型??? ?

　　??

　　1.深空探測網(wǎng)???????

　　?? 空間飛行器，如嫦娥四號(hào)月球探測器，主要依賴建立地面的深空探測網(wǎng)，如美國國家射電天文臺(tái)用陣列操作中心遙控10架射電望遠(yuǎn)鏡組成陣列，這個(gè)陣列是全世界最大的天文超長基線干涉測量儀器，名叫：超長基線陣列（VLBA）。據(jù)國外媒體報(bào)道，美國科學(xué)家就是利用該手段精確確定土星方位，精度在4公里以內(nèi)。就是通過觀測，人類對土星軌道有了更多的了解，為深空航天器在太空中飛行提供更理想的導(dǎo)航服務(wù)。???? ?

嫦娥四號(hào)探月任務(wù)示意圖???? ?

美國超長基線陣列示意圖??? ?

　　而在影片流浪地球的最后，地球一直持續(xù)流浪，空間站要一路尾隨，如何實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航？如果地球飛出了太陽系,飛出了銀河系怎么辦？又如何在星際穿越間導(dǎo)航？“脈沖星”提供了可能！???? ?

　　2.脈沖星導(dǎo)航???????

　　航天飛行器需要導(dǎo)航，現(xiàn)實(shí)中飛行器的運(yùn)行軌道其實(shí)都是預(yù)先計(jì)算好的，既然是流浪，就不可能事先計(jì)算好軌道，而且進(jìn)入太空之后，實(shí)際運(yùn)行受很多復(fù)雜因素的影響，可能會(huì)偏離事先設(shè)計(jì)的狀態(tài)，需要實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)整。而進(jìn)行調(diào)整的前提，就是通過導(dǎo)航系統(tǒng)，確定飛行器真實(shí)的位置、運(yùn)動(dòng)方向和速度等參數(shù)。脈沖星輻射的X射線信號(hào)恰恰能夠?yàn)楹教炱魈峁┳灾鲗?dǎo)航信息，就能成為宇宙中航行的燈塔。???? ?

流浪地球空間站 ???? ?

　　X射線脈沖星是在X射線頻段上輻射信號(hào)的脈沖星，X射線屬于高能光子，集中了脈沖星絕大部分能量，可以作為天然信標(biāo)。航天器自主確定軌道、時(shí)間以及姿態(tài)參數(shù)，并引導(dǎo)航天器沿著設(shè)計(jì)的軌道飛向目標(biāo)軌道或目標(biāo)天體的過程叫做X射線脈沖星導(dǎo)航(XPNAV)。脈沖星導(dǎo)航實(shí)際上是針對航天器的自主導(dǎo)航，能夠?yàn)橛钪骘w行的航天器以及無稠密大氣的行星表面巡游提供導(dǎo)航服務(wù)，而不能直接為地面用戶提供服務(wù)，所以，脈沖星是為宇宙航行服務(wù)的。?

　　3.脈沖星導(dǎo)航服務(wù)與深空探測???????

　　國外積極開展深空探測任務(wù)，如美國的旅行者號(hào)已到達(dá)太陽系邊緣，日本隼鳥號(hào)采樣了小行星的實(shí)物樣本，俄羅斯的探測器已經(jīng)探測過月球、金星和火星，歐洲發(fā)射了10余個(gè)探測器最遠(yuǎn)探測到土星和彗星、甚至印度都發(fā)射了火星探測器。反觀我國，在深空探測領(lǐng)域尚處起步階段。我國自2003年開始了嫦娥計(jì)劃，開始了我國深空探測的嘗試，僅僅實(shí)現(xiàn)了月球探測，嚴(yán)重落后于美國、俄羅斯、歐洲及亞洲鄰國。目前我國深空導(dǎo)航主要依賴傳統(tǒng)的統(tǒng)一S波段測控（USB）系統(tǒng)和中科院甚長基線干涉測量（very long baseline interferometer，VLBI）深空探測系統(tǒng)。由于受我國地域環(huán)境限制，VLBI站的部署無法做到全球布站。隨著我國深空探測的腳步加快，深空飛行的距離越來越遠(yuǎn)，對深空探測器的導(dǎo)航精度提出了更高的要求。???? ?

　　脈沖星導(dǎo)航是國際公認(rèn)的深空導(dǎo)航的有效手段之一，其優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)航精度不隨深空飛行距離的增加而下降。及時(shí)規(guī)劃脈沖星觀測和開展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)驗(yàn)，可以支撐我國后續(xù)深空探測和空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施，進(jìn)而為我國深空探測技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。???? ?

　　脈沖星導(dǎo)航的原理???????

　　脈沖星距離地球有上千光年的距離，廣泛地分布在銀河系的各個(gè)方向。飛船離某顆脈沖星越近，接收到它的脈沖信號(hào)的時(shí)間就會(huì)越提前。相反地，飛船離某顆脈沖星越遠(yuǎn)，脈沖信號(hào)的到達(dá)時(shí)間就會(huì)被推遲，據(jù)此人們可以計(jì)算出飛船相對于脈沖星的位置。與此同時(shí)，當(dāng)飛船向著某顆脈沖星飛行時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低，飛船觀測到的脈沖星發(fā)出脈沖的間隔將由于多普勒效應(yīng)而減??；當(dāng)飛船背離某顆脈沖星飛行時(shí)，飛船觀測到的這顆脈沖星發(fā)出的脈沖間隔就會(huì)增加。???? ?

脈沖星對飛行器的定軌示意??

　　與衛(wèi)星導(dǎo)航類似，以同一個(gè)脈沖信號(hào)到達(dá)太陽系質(zhì)心的時(shí)間與到達(dá)航天器的時(shí)間差為觀測量，構(gòu)造X射線脈沖星導(dǎo)航測量方程；該方程有4個(gè)未知數(shù)，包括3個(gè)位置坐標(biāo)分量和1個(gè)時(shí)鐘偏差量；通過同時(shí)探測4顆脈沖星，或每個(gè)弧段觀測1顆脈沖星并結(jié)合航天器軌道動(dòng)力學(xué)模型，求解4個(gè)未知數(shù)，實(shí)現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航，以此實(shí)現(xiàn)飛船自身的定位和導(dǎo)航。???? ?

脈沖星導(dǎo)航示意圖

　　脈沖星導(dǎo)航的未來????? ???????

　　脈沖星導(dǎo)航在我國得到了科學(xué)驗(yàn)證，中科院高能物理所專家利用天宮二號(hào)上的伽瑪射線暴偏振探測器（POLAR）對蟹狀星云脈沖星1個(gè)月的探測數(shù)據(jù)，完成了我國首次脈沖星導(dǎo)航空間實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了對天宮二號(hào)的定軌，從而驗(yàn)證了脈沖星導(dǎo)航的可行性。???? ?

　　2016年11月10日，我國發(fā)射了脈沖星導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星(XPNAV-1)，開展X射線脈沖星在軌觀測，驗(yàn)證X射線脈沖星導(dǎo)航相關(guān)技術(shù)。???? ?

　　2017年6月15日，我國發(fā)射了硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）衛(wèi)星，正在深入研究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)問題和關(guān)鍵技術(shù)問題，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)???? ?

（圖片來源：新華網(wǎng)）?????

　　??也許，我們的地球不一定會(huì)去流浪，但是脈沖星可能是未來人類追尋宇宙奧秘的一座燈塔，為人類的太空探索之路“導(dǎo)航“！？？？???? ?

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　　參考文獻(xiàn)：???????

　　帥平丨《脈沖星 宇宙航行的燈塔》???? ?

　　鄭偉 王奕迪 湯建國 劉利丨《X射線脈沖星導(dǎo)航理論與應(yīng)用》???? ?

　　天宮二號(hào)取得伽馬暴最佳偏振觀測結(jié)果?人民網(wǎng)???? ?

　　我國11月將發(fā)射全球首顆脈沖星導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星 人民網(wǎng)???? ?

　　脈沖星導(dǎo)航，這事兒靠譜嗎？中科院物理所官微???? ?

　　本文得到了中科院空天信息研究院高級工程師 鄧平科的指導(dǎo)???? ?