流浪地球中，吳京駕駛的飛船是咋導航的？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”。導航對于生活在地球上的我們是無處不在的。下載到手機里的一個地圖APP就能實現(xiàn)導航，其實各種手機里的“地圖”導航其實質就是利用人造地球衛(wèi)星的手段實現(xiàn)對地導航定位，地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，接收機測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，構建四個方程，解方程組就得到接收機位置。???? ?

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衛(wèi)星定位原理圖（自制）?????

　　誰來為航天器導航？???????

　　??? 但是航天器在太空中又該如何導航呢？脈沖星！???? ?

脈沖星燈塔模型??? ?

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　　1.深空探測網???????

　　?? 空間飛行器，如嫦娥四號月球探測器，主要依賴建立地面的深空探測網，如美國國家射電天文臺用陣列操作中心遙控10架射電望遠鏡組成陣列，這個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)國外媒體報道，美國科學家就是利用該手段精確確定土星方位，精度在4公里以內。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航服務。???? ?

嫦娥四號探月任務示意圖???? ?

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，如何實現(xiàn)導航？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航？“脈沖星”提供了可能！???? ?

　　2.脈沖星導航???????

　　航天飛行器需要導航，現(xiàn)實中飛行器的運行軌道其實都是預先計算好的，既然是流浪，就不可能事先計算好軌道，而且進入太空之后，實際運行受很多復雜因素的影響，可能會偏離事先設計的狀態(tài)，需要實時進行調整。而進行調整的前提，就是通過導航系統(tǒng)，確定飛行器真實的位置、運動方向和速度等參數(shù)。脈沖星輻射的X射線信號恰恰能夠為航天器提供自主導航信息，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。航天器自主確定軌道、時間以及姿態(tài)參數(shù)，并引導航天器沿著設計的軌道飛向目標軌道或目標天體的過程叫做X射線脈沖星導航(XPNAV)。脈沖星導航實際上是針對航天器的自主導航，能夠為宇宙飛行的航天器以及無稠密大氣的行星表面巡游提供導航服務，而不能直接為地面用戶提供服務，所以，脈沖星是為宇宙航行服務的。?

　　3.脈沖星導航服務與深空探測???????

　　國外積極開展深空探測任務，如美國的旅行者號已到達太陽系邊緣，日本隼鳥號采樣了小行星的實物樣本，俄羅斯的探測器已經探測過月球、金星和火星，歐洲發(fā)射了10余個探測器最遠探測到土星和彗星、甚至印度都發(fā)射了火星探測器。反觀我國，在深空探測領域尚處起步階段。我國自2003年開始了嫦娥計劃，開始了我國深空探測的嘗試，僅僅實現(xiàn)了月球探測，嚴重落后于美國、俄羅斯、歐洲及亞洲鄰國。目前我國深空導航主要依賴傳統(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，對深空探測器的導航精度提出了更高的要求。???? ?

　　脈沖星導航是國際公認的深空導航的有效手段之一，其優(yōu)點是導航精度不隨深空飛行距離的增加而下降。及時規(guī)劃脈沖星觀測和開展脈沖星導航技術實驗，可以支撐我國后續(xù)深空探測和空間技術實驗的實施，進而為我國深空探測技術的發(fā)展提供基礎支撐。???? ?

　　脈沖星導航的原理???????

　　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方向。飛船離某顆脈沖星越近，接收到它的脈沖信號的時間就會越提前。相反地，飛船離某顆脈沖星越遠，脈沖信號的到達時間就會被推遲，據(jù)此人們可以計算出飛船相對于脈沖星的位置。與此同時，當飛船向著某顆脈沖星飛行時，由于多普勒效應，波在波源移向觀察者時接收頻率變高，而在波源遠離觀察者時接收頻率變低，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而減小；當飛船背離某顆脈沖星飛行時，飛船觀測到的這顆脈沖星發(fā)出的脈沖間隔就會增加。???? ?

脈沖星對飛行器的定軌示意??

　　與衛(wèi)星導航類似，以同一個脈沖信號到達太陽系質心的時間與到達航天器的時間差為觀測量，構造X射線脈沖星導航測量方程；該方程有4個未知數(shù)，包括3個位置坐標分量和1個時鐘偏差量；通過同時探測4顆脈沖星，或每個弧段觀測1顆脈沖星并結合航天器軌道動力學模型，求解4個未知數(shù)，實現(xiàn)航天器自主導航，以此實現(xiàn)飛船自身的定位和導航。???? ?

脈沖星導航示意圖

　　脈沖星導航的未來????? ???????

　　脈沖星導航在我國得到了科學驗證，中科院高能物理所專家利用天宮二號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)，完成了我國首次脈沖星導航空間實驗,實現(xiàn)了對天宮二號的定軌，從而驗證了脈沖星導航的可行性。???? ?

　　2016年11月10日，我國發(fā)射了脈沖星導航實驗衛(wèi)星(XPNAV-1)，開展X射線脈沖星在軌觀測，驗證X射線脈沖星導航相關技術。???? ?

　　2017年6月15日，我國發(fā)射了硬X射線調制望遠鏡（HXMT）衛(wèi)星，正在深入研究Crab等脈沖星的計時特征，進一步理解脈沖星導航的基礎科學問題和關鍵技術問題，探索如何進一步提高脈沖星導航精度，以期最終獲得具有實用價值的脈沖星導航技術???? ?

（圖片來源：新華網）?????

　　??也許，我們的地球不一定會去流浪，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“導航“！？？？???? ?

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　　參考文獻：???????

　　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射線脈沖星導航理論與應用》???? ?

　　天宮二號取得伽馬暴最佳偏振觀測結果?人民網???? ?

　　我國11月將發(fā)射全球首顆脈沖星導航試驗衛(wèi)星 人民網???? ?

　　脈沖星導航，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???? ?