如何評價美國研究用脈衝星為太空探索導航?
原文：美國研究用脈衝星為太空探索導航
中國已經有相關成果了
天宮二號空間實驗室完成中國首次X射線脈衝星導航空間實驗
中國科學院空間應用工程與技術中心?www.csu.cas.cn
相關論文：
鄭世界, 葛明玉, 韓大煒,等. 基於天宮二號POLAR的脈衝星導航實驗[J]. 中國科學:物理學 力學 天文學, 2017(9).
DOI: 10.1360/SSPMA2017-00080
《中國科學》雜誌社
謝邀（菜鳥瑟瑟發抖中）
受限於脈衝星輻射自身的雜訊，我印象中好像脈衝星導航頂多也就是到十公里級別的精度了。在精度上是比地面測控站導航要差的，而且要得到足夠信噪比的脈衝輪廓需要等好長時間。但是脈衝星導航有一點好，不需要佔用地面測控站的資源，所以在一些軌道變化不劇烈、軌道參數比較少的情況下可以讓地面測控站騰出手來干別的事情（比如看看脈衝星呀～）。也有人想到一種極端情況：打仗的時候地面測控站全都被炸掉了……美國人的這個能看到4顆脈衝星耶，好厲害。警告：本文不是嚴謹的學術論文，原理介紹具有不規範的引用和不可預知的錯誤，文中具有拼音輸入導致的錯別字，僅供娛樂。
一、讓眼界再開闊一點
你的眼界已經限制了你的想像力！脈衝星導航和你在地面和近地空間使用的衛星導航系統關係並不大——只是他們的原理相通而已。由於在地面上根本接收不到脈衝星發射的X射線，所示如果你不飛出大氣層，就無法直接運用這項技術。
理論上，GNSS系統可以利用脈衝星同步授時，毫秒級的脈衝星可能具有勝過原子鐘的頻率穩定度，XPNAV-1項目某科學家的研究也表明，增加脈衝星觀測數據可以提高衛星定軌的精度，有利於星間鏈路實現脫離地面控制段而自主運行。但這不是自主定軌的全部：美國GPS衛星在90年代曾對自主運行進行過優化，從1990年起，GPS Block IIA、IIR和IIR-M型衛星具有脫離地面站注入，失聯自主運行半年（確切地說是180天）的能力。2000年以後發射的新衛星裁剪了這項指標，將其指標縮短到大於60天。
2016年，中國脈衝星實驗01星XPNAV-1發射時，曾經引發了科學家之間的罵戰，參見《脈衝星導航最終精度可達10米，沒有工夫逗你玩！ | 科學人 | 果殼網 科技有意思》、《這場關於脈衝星導航的搏殺，你看明白了么？ | 航天探索小組 | 果殼網 科技有意思》媒體報道和主持這項實驗的科學家都各自處於不同的目的，前者為了描繪了一種不明覺厲的星辰大海願景，後者大概出於「我的研究不容『詆毀』」的想法，刻意混淆了「利用脈衝星信號輔助衛星動力學定軌」和「脈衝星三維定位」。
所以，首先把眼界放開吧！
首先我不會「看不得中國強大」，您更用不著給我科普從新聞上看來的我國的科研成果。現在只需要乘坐用想像驅動的飛船，遠離學術圈日常撕逼，遠離要實驗經費答辯時有用於無用的質問，遠離媒體對點擊量和閱讀數的追求...進入茫茫太空——
先追趕人類目前飛得最遠的航天器——旅行者的腳步。
早在1977年，旅行者號上搭載的作為人類留言的金唱盤上，有這樣一個圖形：
左下角的放射線狀圖形：共有15條射線，其中最長的那條聲明了太陽到銀河系中心的距離，剩餘的那些射線，和其旁邊標註的脈衝星頻率，就是用14顆脈衝星，來確定太陽系在銀河中的位置。看來脈衝星定位的想法，在很早很早以前就已經有了。
因為脈衝星定位，其解決問題的尺度遠遠超過了GNSS(GPS/GLONASS/BDS等衛星定位系統的統稱)的範疇，將定位服務範圍由地球表明和近地空間拓展為整個宇宙空間——包括人類目前工程能力無法企及的遠方。所以，在探討這個宏大背景、著眼深空的議題時，請放下地球上的一切爭論——在脈衝星導航的尺度下，這些爭論是沒有意義的。
二、定位原理：繞不過的全球定位系統
用思維驅動的飛船解決了光速引擎的問題，在茫茫宇宙間飛行的時候，坐在駕駛台前的你，看著每天都不同的星空，要解決的首要問題是，「我現在在哪裡？」宇宙飛船駕駛員需要一個像GNSS車載導航機的儀器，保存有地圖信息，能自動獲取當前的位置和速度。GNSS系統就是在地球和近地空間實現這一目的的一套精密的系統。
看到金唱片上的15根放射線定位地圖，每個了解GPS的人都會想到那張通常位於GPS課本第一章第一節的經典插圖：
四根相同的放射線，中心是被定位的位置，端點也是星——只不過這次不是脈衝星，而是人造地球衛星；而整張圖的尺寸，也從整個銀河系減小到地球周邊。
位置是怎樣確定的？
每個稍微懂得一點GPS原理的人，都可以講出GPS偽距定位的原理：
首先要知道星的位置。描述星的位置的數據稱為「星曆」。地球上的測控站測量每顆GNSS衛星的精確位置，然後把數據上傳衛星。衛星在它發射的無線電信號中廣播自己的位置，你的接收機在穩定跟蹤衛星信號30秒後，就得到了這顆衛星當前的時間和空間坐標。將這些時間和坐標轉進行參考系轉換，然後你要知道至少三根射線的長度，這通過測量無線電信號從衛星到達接收機的時間，乘以光速得到。最後還有一個技術問題，接收機的鐘不夠準確——遠不如星載原子鐘，你需要一個數學技巧，通過第四顆衛星的信號，校正你的時鐘，獲取準確的時間。這時，你就可以得到自己的位置了，精度在10米左右（SA關閉前，民用信號加擾到100米左右）。
偽距定位和金唱片上標註太陽系位置的方法如出一轍：利用距離脈衝星的絕對距離，計算自己的位置。但可以想像，這個定位的精度是太陽系尺度的，誤差略大。
但是為了考察脈衝星導航，還得科普GPS的一種高級用法——用滿口專業詞語的「磚家話」講，就是「載波相位多普勒積分干涉觀測」。
GPS信號是經過精心設計的，你可以用它求解出接收機和衛星之間的絕對距離，就像從衛星到接收機的一把具有絕對刻度數字的尺子，可以直接讀出接收機里衛星有多少米遠。後來（大概70年代末？）人們發明了GPS信號的另一種用法，利用載波獲取更高的精度：相當於從衛星到接收機還有一把沒有標明數字的、但刻度劃分更細的尺子。你盯著尺子看了t時間，可以以毫米級的精度知道這段時間內您離衛星距離變遠或變近了多少，卻不知道絕對距離。利用這種似乎不靠譜，但精度很高的測量結果，人們可以完成精密定位：一種方法是完成相對定位，計算兩台接收機之間的位置差；另一種方法是通過長時間觀測，積累足夠豐富的數據，估計出絕對位置。這種方法可以獲得毫米級的定位結果。
野生的脈衝星是純天然非人造，沒有像GPS一般體貼的合作信號。所以，通過脈衝星信號獲得的測距更像GPS的載波相位——利用脈衝的相位干涉定位。也就是說，脈衝星定位的方法更接近於GPS載波相位差分定位——比較接收到的信號和參考點信號特性。
脈衝星定位原理簡單概括如下：
(1) 通過設計軌道參數，給出一個迭代的初始位置(圖中的initial estimated spaceraft position)
(2) 在某一脈衝到來時刻開始解算，把每一個光子事件都記錄下來(3) 利用先驗的位置速度信息，進行坐標系轉換，把這些時間轉換到慣性系中，如太陽系重心參考系(圖中的Solar System Barycenter, SSB)(4) 利用觀測的信息，用非相干積累等手段，構建脈衝輪廓和脈衝直方圖。(5) 將脈衝輪廓和星曆數據中的模板進行長時間相關，精確測量到達時間相位差。(6) 迭代計算初始位置和真實位置之間距離?r在 脈衝星方向的投影n?r，包含脈衝整周模糊度
(7) 利用很多顆脈衝星的測量結果，或者長時間的觀測，解出模糊度，完成定位。（上圖描繪了利用4顆脈衝星在二維中確定模糊度的示意圖）
三、X射線脈衝接收機
為了完成脈衝星導航，首先要有接收機。
1、2016年中國發射的XPNAV-1
首顆脈衝星導航試驗衛星，在最初的報道中，提到他的任務：
衛星有三個試驗目標：
第一，上天實測兩種不同類型的探測器性能，同時利用探測器研究宇宙的背景雜訊；第二，探測蟹狀星雲脈衝星（Crab），解決中國研製的探測器「看得見」脈衝星的問題；第三，探測3顆低流量脈衝星
2、2017年6月，美國的脈衝星導航試驗設備被部署在國際空間站上
老美的實驗目標是
主要目標：
提供實時的航天器X射線脈衝星導航（XNAV），在ISS（國際空間站）具有挑戰性的LEO軌道上實施功能齊全的XNAV系統關鍵性能參數:
使用長達2周的觀測，實現10公里以上的軌道確定精度，任何方向。
進一步目標：
使用長達4周的觀測，實現1公里的軌道確定精度，任何方向。計劃實驗：
任務早期2-4周的時間觀察3-5顆脈衝星，這些模型來自射電望遠鏡的數據任務後期2-4周觀察3-5顆脈衝星，這些模型來自NICER數據使用收集的光子數據進行地面實驗3、天宮二號空間實驗室上的伽瑪射線暴偏振探測器
這個探測器並不是為X射線脈衝星設計的，利用它搜集的脈衝星數據進行脈衝星導航理論驗證工作可以算作副產物。既然也涉及了脈衝星觀測，就也列在這裡。
四、完成的工作
扔開可能不靠譜二手報道，我們直接看乾貨：
脈衝試驗衛星01星論文的結論部分是這樣寫的：
蟹狀星雲脈衝星的特徵曲線證實了XPNAV-1在軟X射線波段觀測脈衝星的能力，這意味著XPNAV-1任務的目標已經實現。
接下來，我們將研究如何使用蟹狀星雲脈衝星觀測數據來協助定軌。儘管通過僅觀測一顆脈衝星不能實現三維定位，但是通過沿著蟹狀星雲脈衝星的視線引入徑向測距，可以減少定軌的誤差。如果觀察到更多的脈衝星，我們還將花更多的時間觀察較弱的源，並探索導航的可能性。XPNAV-1衛星是CAST為X射線脈衝星導航演示設計的連續任務的第一步。下一個任務將帶來一個更大的收集區域的X射線探測器，希望精確計時3?5個脈衝星，完成航行器導航。
（引用Zhang, X. et al. Int J. Aerosp. Eng. 2017, 8561830 (2017).）
第一句話，說明它的任務目標只是驗證X射線接收機的能力。
第二句話，表明XPNAV-1無法實現前面討論的脈衝星三維定位。第三句話，就是當年網路撕逼大戰的核心：利用一顆脈衝星輔助，在嚴格的約束下，計算機模擬的動力學衛星定軌結果可以達到10m的精度。注意，這不是脈衝星三維定位的精度。第四句話，下一步準備進行脈衝星三維定位。
這次美國的脈衝星試驗的結論，新聞是這樣說的
去年11月，中子星內部組成探測器（NICER）花了一天半的時間觀測一些脈衝星 —— 快速旋轉的恆星殘餘物，在旋轉的時候發出強有力的輻射束。通過測量脈衝到達時間的微小變化，NICER以5公里以內的精度確定自身位置。
這是脈衝星導航技術在空間的第一次示範。有一天，這種方法可以幫助航天器在沒有來自地球的遙測的情況下自主定位。NICER於2017年6月安裝在國際空間站上。其主要工作是測量脈衝星的大小，以便更好地了解構成它的超密度物質。被稱為「X射線定時和導航技術探測器」（SEXTANT）的脈衝星導航實驗是一項附加獎勵。SEXTANT測定的X射線來自五個脈衝星，其中一個是最接近和最明亮的已知毫秒脈衝星。任務中觀測每個脈衝星信標大約5-15分鐘，然後自主旋轉來觀察下一個脈衝星信標。通過測量信號到達時間的細微變化，NICER可以獨立計算自己在太空中的位置。
（引用2018年1月11日，《Nature》的新聞，NASA test proves pulsars can function as a celestial GPS）
這裡也引用了四句話：
第一句表明完成了脈衝星三維定位，精度5千米。
第二句說明這是第一次實現脈衝星三維定位。第三句介紹了探測器任務，提到他的主業是測量脈衝星，而三維定位只是數據處理的副產品。那個英文首字母縮寫縮寫正好是「六分儀」——一種古老而有效的天文航海定位儀器的名字。第四句介紹了細節：定位使用了5個脈衝星，包括那個「最明亮的毫秒級脈衝星」，就是XPNAV-1探測的那個蟹狀星雲脈衝星。還簡述了探測方法：並不是同時接收五個脈衝星，分別探測的；以及解算方法：「信號到達時間的細微變化」，即到達時間差，就是前文所述的那種定位方法。兩個探測器誰更高級留給您自己評價，我能做出的確切的評價只限制在在時間尺度上：美國這次實驗已經把我們的「下一步」給搶答了。
五、關於XPNAV-1發布的數據
2017年，XPNAV-1發布了一批觀測數據。數據包括蟹狀星雲脈衝星B0531+21在2016年11月到12月一個月間的觀測結果，包括光子到達時間、光子能量、和XPNAV-1自身的軌道參數。
利用這組數據，加上一本靠譜的脈衝星導航的專著，和一個MATLAB之類的數值軟體，你自己就可以嘗試著完成前面原理部分完成脈衝星3D定位7個步驟中的前4個。
目前發現的脈衝星大部分與太陽的距離都在幾萬光年之上，距離最近的一顆也在250光年以上，用這玩意導航，你從南極點跑到北極點，相當於在6倍於冥王星軌道(240億公里)的距離外立了一座燈塔，然而你只移動了1個氫原子直徑(0.12納米)那麼大的距離，以人類的機動能力，這麼大尺度的導航系統誤差太大，不具實用價值。進一步說，在太陽系內活動，甚至於有朝一日探索鄰近恆星系，都用不著這麼大尺度的導航，因為這也僅僅相當於你去鄰居家串了個門，根本用不著導航。說白了，脈衝星導航只有在你具有大範圍星系間航行能力的時候才能用得著。
這不是什麼新鮮事了，70年代的先驅者10號上的人類名片和旅行者1號上的金盤都有送給外星人的14顆脈衝星導航示意圖，用來幫助一切友好的或者敵對的外星人來定位太陽系。
不過不用太擔心，這兩張地圖被外星人截獲的可能性非常小，而且，就算外星人拿到這兩張導航圖，也沒什麼卵用，因為人類對天體距離的計算能力非常差，上面說的那個250光年外的脈衝星，250光年是人類估計的距離下限，上限是1000光年，4倍的誤差範圍，外星人就靠這兩張導航圖，根本找不到我們在哪。
很正常，離開地球的深空探測不用這種方法怎麼定位導航？畢竟GPS衛星軌道才兩萬公里高。你到了土星還想接收GPS嗎？
無腦問題。謝邀
tg早就有了。
大家都怕打起來的時候衛星導航都被擊落的時候還有個無法被摧毀和干擾的備份。TG，1年前，完成式。
瀉藥。
首先脈衝星導航這個真的已經不是新東西了，自從其自轉周期穩定性被發現之後，人類就已經開始嘗試利用其性質為航天器，甚至是為外星生物導航。比如說我們著名的旅行者計劃的金唱片，上面就刻上了太陽系與附近14顆已知頻率脈衝星的相對距離，方便發現這玩意的外星人定位太陽系位置。
不予置評
雖然還沒汽車，但是我們在為了將來有汽車之後的導航做努力
這個其實好比基站，脈衝星作為輻射源不斷發出輻射，要是知道了多顆脈衝星的位置那就是無法摧毀的GPS。同時脈衝星遍布宇宙各處，龐大的脈衝星網路也可以為今後的宇宙探索提供導航。
為啥每次邀請我回答的都是這種問題？？？太高深了，我根本看不懂，難道是我設置了什麼？
脈衝星導航是實現真正意義上航天器高精度自主導航的有效途徑，是目前航天器導航領域的研究熱點。
不單是美國，俄羅斯、歐空局、中國也早已開始這方面的研究了。
謝謝邀請，我記得這不是什麼新鮮玩意兒吧，脈衝星用來定位早就有了
謝邀，只要是能夠促進科學進步的，不違人道主義的，何必介意是誰去做的呢。
謝邀，不懂這些，但科學實驗么，不試不知道