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脉冲星导航实验卫星, 这是用纳税人多少个亿搭建

2019-10-13 作者:科学动态   |   浏览(167)

编者按:
2016年10月13日,中国航天科技集团公司五院(即中国空间技术研究院)召开新闻通气会,宣布中国将于11月择机发射全球首颗脉冲星导航实验卫星(XPNAV-1)。据报道,该实验卫星将实测脉冲星发射的X射线信号,尝试验证脉冲星导航技术体系的可行性,中国科学家将从此重构时空基准。媒体的报道与网友的热捧,甚至影响了股市的走向。然而,对这个项目,也有专家持有不同的意见,更担心言过其实的报道会让激情澎湃的网友对中国科研成就产生怀疑。
10月20日,海外学者徐星在果壳网科学人刊发“脉冲星导航,精度10米?别逗了!”一文,介绍了脉冲星导航的原理,以及他对“脉冲星导航到底有多准”的见解。次日,科学人刊发对上海天文台赵铭与中科院高能物理所张双南两位专家的采访报道,针对即将发射的XPNAV-1卫星与脉冲星导航,反映了部分业内专家对此事的见解和意见。
三位专家对报道中提到的脉冲星导航精度以及XPNAV-1项目的质疑,引发了业内激烈的讨论。本着理越辩越明的原则,科学人随即与中国航天科技集团公司五院XPNAV-1卫星系统总设计师帅平取得联系,希望听听项目背后的设计者对此事的见解和意见。11月2日,科学人应作者要求原文刊发了帅平总设计师撰写的“脉冲星导航最终精度可达10米,没有功夫逗你玩!”一文,反映了他的观点。
帅平总设计师的文章再次激起了一轮激烈的讨论。科学人随后再次接到徐星与赵铭的来稿,再一次,针对XPNAV-1卫星项目与脉冲星导航表达了各自的观点。

近期,有网友对“脉冲星导航及其最终精度10米”发表其个人看法和相关评论。本人应果壳网科学人专栏编辑的邀请,就导航及脉冲星导航的基本概念、脉冲星导航的可行性和最终导航精度指标等问题进行简要讲解。其目的是避免个别的偏见和观点对广大网友的误导。

感谢帅总亲自认真回应本人的看法和评论,但是帅总的讲解更加暴露了原新闻发布、帅总对于脉冲星和脉冲星导航的理解,以及该脉冲星导航路线存在的低级技术错误,进一步强化和坐实了本人在“脉冲星导航,精度10米?别逗了!”一文中的质疑。以下,本人援引“脉冲星导航最终精度可达10米,没有功夫逗你玩!”一文中的观点,逐一阐明我的看法与见解。 

什么是导航?什么是脉冲星导航?

从广义上讲,导航是指按照预先的计划和规定将运动体从起始位置及时、安全、高效地引导到达目的地的过程。所谓运动体,是指车辆、舰船、飞机和航天器等可移动的人造物体,以及从人类本身扩展到其它生物体的活动行为。完整的导航过程包括路径规划、当前位置、航迹偏差和偏差修正4个方面的内容。从狭义上讲,将测定运动体位置、速度、时间和姿态等参数的方法和技术统称为导航

脉冲星导航是以脉冲星辐射的X射线信号作为天然信标,在太阳系质心坐标系下,通过测量脉冲到达时间和脉冲星方向矢量,航天器自主测定位置、速度、时间和姿态等参数的过程。由于脉冲星辐射的X射线只能在大气层外空间才能探测到,因此脉冲星导航实质上是针对大气层外空间飞行的航天器的自主导航。同一个X射线脉冲信号到达航天器的时间可以用原子钟记录下来,而到达太阳系质心的时间是能够精确预报的。根据三角投影关系,并考虑到星载时钟存在偏差,从而得到脉冲星导航基本方程(如图1所示)。该方程有4个未知数,包括3个位置坐标分量和1个时钟偏差量。如果同时探测4颗脉冲星,那么就可以建立4个方程来求解4个未知数,这称之为几何定轨。实际上,在大气层外空间的航天器是按照轨道力学规律飞行的,所以利用航天器轨道动力学模型和导航滤波处理方法,每一个弧段仅需要探测1颗脉冲星,就可以确定航天器的位置和时间参数,这称之为动力学定轨

图片 1图1 脉冲星导航的基本原理

考虑到脉冲星辐射的X射线信号(光子)流量较低,需要一定的信号积分时间,才能提取具有足够信噪比的脉冲轮廓;脉冲到达时间测量精度不如卫星导航时间测量精度高;以及航天器同时携带多个探测器和跟踪多颗脉冲星尚有一定的实现难度等因素,因而利用几何定轨方法的航天器轨道测定精度较低。从实际工程应用角度,一般采用动力学定轨方法,这有利于提高导航参数估计精度;可以通过轨道力学模型实时外推计算航天器的轨道参数;毋需同时探测4颗以上脉冲星,每一个弧段仅需要探测1颗脉冲星。可见,脉冲星导航拥有一整套严密的理论推导和导航滤波处理方法。

在“脉冲星导航,精度10米?别逗了!”一文中,简单地利用“脉冲到达时间残差乘以光速”就得到所谓的“脉冲星导航不能逾越的固有精度”。这显然是缺乏导航数据处理的基本常识,是对脉冲星导航概念和原理的错误理解。

帅总的文章中首先介绍了什么是导航,以及什么是脉冲星导航,并把脉冲星导航分为几何定轨和动力学定轨,对此本人并无异议。但是,本人想请教帅总:GPS导航是否也分为几何定轨和动力学定轨?很显然,因为GPS导航系统可以给出接收GPS信号的物体的瞬时位置,所以从结果上就是几何定轨。但是,这和动力学定轨没有一点儿关系!

为什么说脉冲星导航最终精度可达10米?

脉冲星导航是利用脉冲星辐射的X射线信号为航天器提供自主导航信息服务。目前,国际公开的脉冲星数据大多为射电频段观测数据,以及部分空间天文卫星探测的X射线数据。由于这些数据并非是针对脉冲星导航应用而专门探测的,因此利用其进行导航分析计算,往往会得出片面的和悲观的结论。

那么,在什么样的条件下脉冲星导航精度可以达到10米呢?这就是数值试验的基本条件。在脉冲到达时间测量精度为0.1微秒,脉冲星计时模型精度为0.1微秒,到达时间转换精度为0.1微秒,以及脉冲星角位置精度为0.1毫角秒的条件下,脉冲星导航精度就可以达到10米。在航天器长时间高精度自主导航应用中,导航星座卫星对实时轨道确定与时间同步精度的要求是最高的,分别为10米和1纳秒水平。这就是10米精度指标的应用需求,具有重要的工程应用价值和科学研究意义。

依据上述数值试验条件,采用Walker 24/6/1导航星座构形和反馈滤波处理方法,分析计算得到导航星座卫星三维轨道误差、径向轨道误差和时间同步误差序列分别如图2、图3和图4所示。通过方差统计分析得到,星座卫星的三维轨道精度、径向轨道精度和时间同步精度分别为10.02米(1σ)、1.45米(1σ)和0.74 纳秒(1σ)。顾及星座卫星轨道和时钟误差,计算得到基于X射线脉冲星的导航卫星用户测距误差(URE)序列如图5所示。URE是评定导航星座自主导航性能的关键性指标。从图中可以看到:URE值均小于6米,能够满足用户导航定位应用需求。

图片 2图2 三维轨道误差序列

图片 3图3 径向轨道误差序列

图片 4图4 时间同步误差序列

图片 5图5 用户测距误差(URE)序列

数值分析研究结果表明:脉冲星导航的最终精度可达到10米,以满足导航星座长时间高精度自主导航应用需求。

因而,在“脉冲星导航,精度10米?别逗了!”一文中所谓的“原则上和理论上就不存在脉冲星导航精度达到10米的可能性!”,显然是一种缺乏理论依据和数值分析研究的个人偏执和主观臆断。

然而新华社的报道是这样说的:

脉冲星导航到底行不行?

脉冲星导航需要研究解决三大问题:一是脉冲星探测问题,需要研制超大面积的数据库型探测器和轻型化的导航型探测器;二是星际航图构建问题,就是通过以主载荷为超大面积探测器的空间基准星座组网探测,快速构建满足脉冲星导航工程应用需求的数据库;三是大尺度导航问题,就是要在广义相对论理论框架下解决如何实现弯曲时空的高精度导航问题,这是与基于经典牛顿力学理论的地球空间卫星导航的本质区别所在。

这些问题目前尚未得到彻底解决,但是从航天技术发展的历程来看,通过技术攻关研究都是可以解决的。上世纪50年代初期,苏联要研制人造地球卫星,就有人认为当时的技术条件不具备,并坚决反对,说“发射卫星,那是儿孙辈的事”。事实胜于雄辩,1957年苏联成功发射了第一颗人造地球卫星。

应该指出,脉冲星导航技术研究的创新性强,难度大,既有机遇,也有挑战和风险,是一项长期发展的事业。脉冲星导航到底行不行,目前谁也不知道。因此,我们才要发射试验卫星,从解决探测器的问题入手,进而验证脉冲星导航系统技术体制的可行性,后续还需要做大量的研究工作。

X射线脉冲星之所以能用于航天器自主导航,看重的就是其长期的周期稳定性。脉冲星时间系统具有如下基本特征:

(1)脉冲星的脉冲周期(自转周期)具有很好的均匀性。

(2)脉冲星能够连续长期自然地运动和辐射信号,在太阳系中任何时间和任何地方,都可以通过观测数据处理来获得稳定的脉冲信号。

(3)脉冲星的脉冲到达时间和脉冲星时钟均可用精确的数学模型来表达,具备一般学科的数学描述特征。

(4)借助辅助装置使脉冲星时具有计数和显示特征。

可见,脉冲星导航并非只有脉冲星作为时钟的导航,脉冲星时钟是没有显示装置的,需要星载原子钟来复现。可用原子钟进行时间间隔短期刻画,而脉冲星时间用于长期校准。

因而,在“脉冲星导航,精度10米?别逗了!”一文中所说的脉冲星计时模型的短期稳定性问题,并非脉冲星导航实现的根本性问题,从具体工程实施层面,可采取多种方案加以解决。

“帅平介绍说,在无线电导航中,时间测量是基本观测量,根据信号传播时间来计算两者之间的距离。卫星导航系统是一种天基的无线电导航系统,采用单向达到时间测量距离。脉冲星导航与卫星导航定位原理极为相似,其观测距离是利用脉冲星发射的同一个X射线脉冲信号到达太阳系质心和航天器的时间差来测定的。当前,卫星导航定位精度为10米,脉冲星导航的最终精度也能够达到10米水平。”

结论

综上所述,脉冲星导航是实现航天器的自主导航,最终精度可达到10米,具有重要的工程应用价值和科学研究意义。但是,脉冲星导航到底行不行,目前谁也不知道。

“实践是检验真理的唯一标准。”只有通过脉冲星导航空间飞行试验,才能实测验证脉冲星导航系统体制的可行性,并通过长时间的努力,才能达到最终的精度指标。

很显然,帅总宣称的“10米”导航精度是在和GPS相比,也就是帅总文中介绍的几何定轨!那么我们看看帅总在文章中是怎么说的:

参考文献:

  1. 帅  平、李  明,等,编著,X射线脉冲星导航系统原理与方法[M],北京:中国宇航出版社,2009。
  2. P. Shuai & M. Li et al., A New Approach toSolve Rotation Issue of Autonomous Navigation Constellation [C]. The 58thInternational Astronautical Congress, Hyderabad, India, Sept. 24~28,2007.
  3. S.I. Sheikh, The Use of Variable CelestialX-ray Sources for Spacecraft Navigation [D], Doctoral Dissertation, Universityof Maryland, USA, 2005.
  4. 顾诵芬、史超礼,主编,世界航天发展史[M],郑州:河南科学技术出版社,2000。

考虑到脉冲星辐射的X射线信号(光子)流量较低,需要一定的信号积分时间,才能提取具有足够信噪比的脉冲轮廓;脉冲到达时间测量精度不如卫星导航时间测量精度高;以及航天器同时携带多个探测器和跟踪多颗脉冲星尚有一定的实现难度等因素,因而利用几何定轨方法的航天器轨道测定精度较低。从实际工程应用角度,一般采用动力学定轨方法,这有利于提高导航参数估计精度;可以通过轨道力学模型实时外推计算航天器的轨道参数;毋需同时探测4颗以上脉冲星,每一个弧段仅需要探测1颗脉冲星。可见,脉冲星导航拥有一整套严密的理论推导和导航滤波处理方法。

帅总承认“几何定轨方法的航天器轨道测定精度较低”,然而到底多低?帅总没有说。其实本人在前文给出的几公里到几十公里的脉冲星导航固有精度指的就是几何定轨方法的航天器轨道测定精度。新闻发布中,帅总把脉冲星导航的精度和GPS相比;现在,帅总又开始把脉冲星导航的“高精度”局限在“动力学定轨方法”,而这和GPS没有任何可比性。请问帅总,新闻发布是不是在故意忽悠和误导不懂技术的记者?等所有媒体铺天盖地的报道受到质疑时,您又出来说您指的脉冲星导航的“高精度”是别的事情,如此偷梁换柱、偷换概念,您这是逗谁玩呢?是在新闻发布的时候您还不懂脉冲星导航的概念和原理,所以犯了技术错误?还是明明懂却故意误导媒体?换句话说,您是不懂装懂?还是懂装不懂?

作为国内知名的脉冲星导航专家,我不相信您会犯如此低级的技术错误。因此,我相信是您懂装不懂,在故意误导媒体!听说您和您的团队(或者所谓的“专家论证组”)提交给领导的报告当中的说法和您在新闻发布会上的说法一致,也就是把脉冲星导航和GPS相比,声称脉冲星导航的精度“也能够达到10米的水平”!那么,是否可以说,您和您的团队通过欺骗领导使得项目立项,并且获得了经费呢?航天五院属于国企,通过这种手段获得经费支持是否违法?本人将咨询律师并且会在适当的时候采取法律途径维护纳税人的利益。 

帅总在文中指出:

目前,国际公开的脉冲星数据大多为射电频段观测数据,以及部分空间天文卫星探测的X射线数据。由于这些数据并非是针对脉冲星导航应用而专门探测的,因此利用其进行导航分析计算,往往会得出片面的和悲观的结论。

事实上,尽管这些数据并非是针对脉冲星导航应用而专门探测的,但是,目前通过射电脉冲星观测到的脉冲星计时精度,要高于X射线观测的脉冲星计时精度;而且,大部分已经运行的空间X射线仪器的性能,都远远好于帅总将要发射的卫星上的仪器。请问,为什么“利用其进行导航分析计算,往往会得出片面的和悲观的结论”?是什么问题让帅总认为这些数据不能使用?帅总在决定做所谓的“全球第一颗脉冲星导航试验卫星”之前调研过这些数据吗?得到了什么样的结论?事实上,国内外很多学者都做过调研,也使用这些数据做过大量的脉冲星导航研究,是帅总不知道?还是装作不知道? 

不过,既然帅总已经承认了能够和GPS导航相比的“几何定轨”精度较低,并且,换了一个概念,开始讨论和GPS导航无法相比的“动力学定轨”的精度,那我就放过帅总一马,不再继续批评帅总在新闻发布中“和GPS导航相比”这个低级技术错误,就和帅总商榷“动力学定轨”的精度的问题。

脉冲星导航精度如何能达到10米呢?帅总在文章中提到了几个基本条件:

那么,在什么样的条件下脉冲星导航精度可以达到10米呢?这就是数值试验的基本条件。在脉冲到达时间测量精度为0.1微秒,脉冲星计时模型精度为0.1微秒,到达时间转换精度为0.1微秒,以及脉冲星角位置精度为0.1毫角秒的条件下,脉冲星导航精度就可以达到10米。在航天器长时间高精度自主导航应用中,导航星座卫星对实时轨道确定与时间同步精度的要求是最高的,分别为10米和1纳秒水平。这就是10米精度指标的应用需求,具有重要的工程应用价值和科学研究意义。

先不说这几个基本条件是否能够达到,提出的这几个基本条件就太天真了。由于脉冲星的单个脉冲到达时间存在“jitter”(就是本人前文所说的短期抖动,读者还记得那个手指头吗?这是脉冲星的性质,和测量精度无关),而“jitter”的时间尺度经常大于0.1微秒,甚至经常达到微秒甚至几十微秒,因此无论技术上能够做到的“脉冲到达时间测量精度”有多高,导航的固有精度的都是由脉冲星的固有性质决定的。关于“脉冲星计时模型精度”的说法更为荒唐。我们知道,脉冲星的计时模型包含了脉冲星的自转频率、频率一阶倒数、频率二阶倒数、脉冲星自行、不同时间尺度的残差等一系列参数,岂是一个“0.1微秒”能够代替的?请问这个“0.1微秒”到底指的是什么?如果是指加入了合理的脉冲星模型之后得到的计时残差,那么已知的能够产生X射线的脉冲星中只有一个具有这样的性质。但这个脉冲星的X射线流量非常低,观测起来非常困难,仅仅利用这个脉冲星实现脉冲星导航显然是不可能的。请问帅总,自然界中存在满足您需求的脉冲星吗?是您不知道脉冲星的天体物理研究情况、不理解脉冲星导航需要用到脉冲星的这些参数?还是您故意掩盖真实脉冲星导航的复杂性和难度?是不懂装懂还是懂装不懂,这是一个问题! 

帅总在文章中举例:

依据上述数值试验条件,采用Walker 24/6/1导航星座构形和反馈滤波处理方法,分析计算得到导航星座卫星三维轨道误差、径向轨道误差和时间同步误差序列分别如图2、图3和图4所示。通过方差统计分析得到,星座卫星的三维轨道精度、径向轨道精度和时间同步精度分别为10.02米(1σ)、1.45米(1σ)和0.74 纳秒(1σ)。顾及星座卫星轨道和时钟误差,计算得到基于X射线脉冲星的导航卫星用户测距误差(URE)序列如图5所示。URE是评定导航星座自主导航性能的关键性指标。从图中可以看到:URE值均小于6米,能够满足用户导航定位应用需求。数值分析研究结果表明:脉冲星导航的最终精度可达到10米,以满足导航星座长时间高精度自主导航应用需求。

然而,本人前面已经分析了,上述数值试验条件是虚构的,并不对应自然界的真实脉冲星。因此得到的数值分析研究结果毫无意义。尽管如此,本人还是想就这个错误结果请教帅总几个问题。您采用的轨道模型是什么?已经有专家在质疑帅总的新闻发布时指出,脉冲星导航只适用于深空中的飞行器的巡航阶段,也就是轨道模型非常简单、参数数量少而且基本上不随时间变化的这种特定情况。即使在这种情况下,也需要使用较长时间的脉冲星观测数据来确定这段时间的轨道参数。请问帅总,您的数值试验要求使用多长时间的脉冲星观测数据?如果使用的数据的时间比较长,那么对于飞行器最需要导航的阶段,也就是进行轨道机动的阶段,脉冲星导航就无能为力了,需要依靠深空导航网和光学导航的组合。难道您的数值试验不但输入的脉冲星的性质是虚构的,而且连适用的导航情况也是虚构的吗?

最后,帅总以上世纪50年代初期,苏联发射第一颗人造卫星为例子,阐述了发射XPNAV-1试验卫星的必要性,以及脉冲星导航需要研究解决的三大问题。然而帅总,您不觉得您扯得有点远了吗?在空间探测X射线脉冲星,不仅国外早就做到了,国内也已经实现了!因此,从国内外对脉冲星导航的研究来看,实在是看不出您这颗卫星的科学和技术的必要性(当然,如果您的团队还不会,需要学习,那就另当别论了。但是即使如此,只在实验室里学习就可以了,完全没有必要发射卫星,除非钱太多了就是想烧着玩)。

本人多少还做过几年的脉冲星计时理论和观测研究,也是在这个方向上拿的博士学位,目前也还是在做脉冲星的研究,所以一眼就看出您文章中列出的那几条“脉冲星时间系统具有的基本特征”存在不少硬伤,说明您真的不太知道自然界中真实的脉冲星是怎么回事,也不太清楚脉冲星导航的关键问题。所以,咱还是先把脉冲星的性质、脉冲星导航的基本概念和原理搞清楚,再扯您提到的那些高大上的口号好不好?事实上,本人在前文中所批评的,被帅总混淆的几个有关基本概念的低级技术错误,并没有在昨天的文章中进行任何澄清。比如本人指出的脉冲星计时模型的短期稳定性问题,帅总说“可采取多种方案加以解决”。但是我怎么没有看到帅总提出任何一种有效的方案呢? 

我再总结一下帅总在新闻发布和撰文中犯的几个低级技术错误:

1)新闻发布中把脉冲星导航和GPS导航类比,错误地说两者的精度都是10米,(帅总本人在撰文中澄清了那个说法是错误的,能够和GPS导航类比的脉冲星导航、也就是“几何定轨” 的精度要差非常多),这的确是够逗的!

2)不了解真实脉冲星的性质,在数值试验中用的主要是“虚构”的脉冲星,因此得到的结果没有任何意义,说轻了属于技术错误(我都懒得用“学术”错误,因为还扯不到“学术”的层面),说重了属于造假欺骗!

3)不理解脉冲星导航的可能适用范围,虚构了一幅脉冲星导航的“幻景”。

作为“全球首颗脉冲星导航试验卫星”的总设计师,帅总无论在新闻发布还是撰文中,都犯了多个非常关键的低级技术错误,我就再一次发问,您是不懂装懂还是懂装不懂?如果是前者,我为中国的航天感到悲哀;如果是后者,就是造假和欺骗行为,也许已经违法!

没错,“实践是检验真理的唯一标准”。但是,在已经被实践证明的错误理论、原理和概念的指导下进行的技术实践,注定是会失败的。“虚构”远远偏离现有脉冲星理论和真实脉冲星性质的导航脉冲星,并以此为基础建立起来的脉冲星导航“幻景”也是不可能成功的。如果某国企执意要如此使用国有资产,那么纳税人就该对最后的结果拭目以待,并且依法行使公民的正当权利!(编辑:明天)

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