当前，航天器的导航信息大多通过地面测控系统提供。然而随着航天技术的发展，在轨航天器数目日益增多，极大增加了地面测控系统的负担，并降低了航天器在特殊情况下的生存能力。此外，日益复杂的空间任务也对航天器自主运行技术提出了紧迫需求。

为此，大力发展自主导航技术是应对日益复杂空间任务的迫切需求，也是提高航天器生存能力、降低运营费用的关键所在。

自主导航

航天器的导航系统通常分为自主和非自主两大类。航天器自主导航是指航天器不依赖外界支持，完全依靠自身搭载设备，与外界不发生光、电联系的导航定位技术。美国学者Lemay提出用下列四个特点来表示航天器自主导航的概念：（1）自给或者独立；（2）实时操作；（3）无辐射；（4）不依靠地面设备。工程实践一般认为，不依赖地面支持，航天器能利用星上自带设备能实时确定自己状态的方法，都称为航天器自主导航。

一种新兴的自主导航方法：X射线脉冲星导航

X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，通过处理脉冲星辐射的X射线光子信息，可提供航天器的位置、姿态等参考信息，从而实现对航天器状态的估计。相对于卫星导航，X射线脉冲星导航的适用范围不局限于近地空间，且不受人为干扰；相对于传统天文导航方法，X射线脉冲星导航可以同时提供位置、姿态、时间等完整的导航信息。X射线脉冲星在X波段特征明显，可以避免空间各种信号的干扰，适当限制X射线的能量可以将探测器小型化，且有足够的流量敏感度和时空分辨率。

X射线脉冲星导航

脉冲星是一种高速自转的中子星。天文观测和天体物理研究表明，质量较大的恒星演化到晚期，其内部核原料大部分已经消耗，导致辐射压大幅降低，难以抗衡引力从而引起塌缩，形成了诸如白矮星、中子星和黑洞等的致密星。其中，一颗相当于太阳质量中子星的直径大约为10km，核心密度达到10¹²kg/cm³，磁场强度可达10⁴~10¹³Gauss。

脉冲星的自转轴和磁轴不重合，两个磁极可发射辐射波束。当星体自转且磁极波束扫过测量设备时，测量设备就可接收到一个脉冲信号，犹如海上为船舶导航的灯塔一样。脉冲星自转周期的长期稳定性极佳，若干毫秒脉冲星自转周期的长期稳定度可媲美当前的原子钟。根据辐射频段的不同，将在射电频段上辐射信号的脉冲星称为射电脉冲星，在X射线频段上辐射信号的脉冲星称为X射线脉冲星。X射线属于高能射线，易于小型化探测设备，但难以穿过稠密的地球大气，因此只能在外部空间进行观测。

脉冲星“自转”模型

通过在太阳系质心（Solar System Barycenter，SSB）处建立脉冲星的相位时间模型，可以计算出某一脉冲到达太阳系质心的时间。同时，通过在轨处理光子测量数据，可以得到该脉冲到达航天器的时间。测量时间和预估时间之差，反映了航天器相对于SSB的位置在脉冲星方向上的投影。通过处理不同方向的测量信息，可以估计出航天器的位置和时间。与星敏感器的定姿原理类似，基于脉冲星的方位测量信息可以确定航天器的姿态。

作为天文导航的一种，X射线脉冲星导航具有天文导航的共性特点：自主性强，抗干扰能力强、可靠性高、可同步定位定姿、导航误差不随时间积累。除此之外，X射线脉冲星导航还具有独特的优势，主要体现在以下几个方面：

1、提供高精度的参考时间基准

X射线脉冲星的自转周期高度稳定。对于部分毫秒脉冲星，若观测时间大于8年，其长期稳定度可达到10-15量级。利用脉冲星的观测信息，一方面可以建立综合脉冲星时，用于维持航天器导航系统时间，另一方面可在实现航天器定位的同时校正星载原子钟钟差。

2、导航精度高

传统天文导航方法通过测量参考天体与航天器的空间角来实现航天器定位，其导航精度依赖于航天器到参考天体的距离。对处于巡航段的深空探测器，传统天文导航方法仅能获得几千公里的定位精度。然而，在相同情况下，X射线脉冲星导航的精度可优于十公里。

3、对导航敏感器精度要求较低

除了航天器与参考天体的距离，传统天文导航方法的性能主要受测角敏感器精度的限制。为了提高导航性能，势必需要研发高精度的敏感器。由本书的后续章节可知，X射线脉冲星导航的性能可通过增加信号累积时间来提高，因此在满足基本的时空分辨率前提下可降低探测器的精度要求，节省成本。

除此之外，同卫星导航相比，X射线脉冲星导航还具有可同时服务于近地航天器、深空探测器的优势。

验证X射线脉冲星导航系统的可行性

Bell（右）和Hewish

自Bell和Hewish于1967年发现了第一颗脉冲星开始，科学家逐渐认识到脉冲星的自转周期具有长期稳定性，可作为天然时钟使用。基于脉冲星的自主导航方法最早提出于20世纪70年代，在40多年的时间里，Downs、Chester、Hanson、Sheikh等做了大量的工作，从20世纪末到本世纪初，逐渐形成一套较为完整的导航方案。

为了提高导航系统的可靠性、扩展适用范围，国内外学者从导航定位方法、基于X射线脉冲星的外部参考时间基准、姿态确定方法、信号处理方法、时空参考框架以及X射线脉冲星导航的空间应用策略等方面对脉冲星导航开展了较为系统的研究并取得了大量研究成果，为X射线脉冲星导航研究提供了理论基础。

为了验证X射线脉冲星导航系统的可行性，美国进行了一系列相关的科学试验和科学计划。

USA试验

1999年2月13日，由斯坦福大学线性加速器中心（Stanford Linear Accelerator Center，SLAC）和美国海军研究实验室（Naval Research Laboratory，NRL）共同设计、研制的非常规天体试验（Unconventional Stellar Aspect，USA）系统搭载在ARGOS卫星上升空。USA试验在一个万向节结构上安装了两个大型X射线探测器，为X射线脉冲星导航提供了试验平台。

USA试验是ARGOS卫星搭载的8项试验中的一项，也称NRL-801，主要基于掩星法的思想，验证利用空间X射线源进行航天器轨道和姿态确定及利用X射线脉冲星进行时间保持的可行性。在NRL-801试验中，GPS接收机一方面用于辅助记录X射线光子到达探测器的时间，另一方面向卫星提供精确的位置信息。ARGOS卫星的整个任务周期原定为3年。2000年11月，USA试验使用的气体正比计数器产生气体泄漏，USA试验被迫终止。尽管如此，USA试验积累的观测数据开启了后续关于X射线脉冲星导航技术的研究。Hanson、Sheikh等多位学者，基于USA试验的数据进行了大量的理论推导和仿真计算。研究结果表明，X射线脉冲星导航这一前瞻性、创新式方法是可行的，且具有极其重要的实际应用价值。

XNAV计划

2004年，美国DARPA的战术技术办公室启动了XNAV计划（X-ray Source-based Navigation for Autonomous Position Determination）。XNAV是一项应用空间X射线源进行自主定位、定姿和授时的研究和发展计划，其目标是验证利用X射线源进行航天器导航的可行性，研制开展空间试验所需要的有效载荷，研究成果将为近地空间和深空探测提供有效的导航手段，为GPS提供可靠备份。

XNAV计划的主要任务包括：测试X射线探测器性能；检验X射线脉冲星导航精度；测定旋转供能X射线脉冲星参数；确定试验平台上载荷最佳方位角；为试验平台研发设计X射线探测器系统；设计适用于空间飞行任务的载荷；飞行演示试验；建立导航性能的评价机制。

XNAV计划自2004年启动，计划分三个阶段实施。2004~2006年是概念可行性阶段，主要进行脉冲星特征描述、导航算法开发、探测器原型设计、应用效果评估等；2006~2008年是设备研发阶段，设计、开发相关硬件，并进行地面试验；2008~2009年是演示验证阶段，通过在航天飞机、国际空间站或其它航天器上的搭载试验确认方案的有效性。2005年11月，DARPA选择鲍尔航天技术公司领导XNAV计划第一阶段研发工作。2006年6月，XNAV第一阶段任务完成，取得了一系列研究成果。出于某种原因，当时DARPA主任Tether决定DARPA不再支持进一步的飞行试验，XNAV计划因此未步入第二阶段。然而，XNAV计划的思想并未终止，仍然致力于提供不依赖于GPS、适应整个太阳系的航天器自主导航能力。

SBIR资助计划

2007年以后，原XNAV计划的相关研究成果及硬件建设转由NASA接手管理，NASA继续通过“小型企业创新研究”（SBIR）计划为XNAV相关研究提供资金支持。

在NASA小型企业创新研究计划（SBIR）资助下，美国Microcosm公司开展了脉冲星导航研究。该研究计划分为三个阶段。第一阶段，Microcosm公司论证了X射线脉冲星导航的可行性，分析了不同星际航行任务下X射线脉冲星导航可以达到的精度，对导航可用脉冲星进行了初步编目，分析了不同因素对导航误差的影响。第二阶段，Microcosm公司将针对NASA关心的一些飞行任务，详细评估X射线脉冲星导航的性能，开发适用于近期XNAV飞行演示验证使用的飞行试验软件。第三阶段，Microcosm公司计划将研发的飞行试验软件与戈达德空间飞行中心的GEONS（GPS Enhanced Onboard Navigation System）软件集成，研发组合导航系统以提高导航的精度和可靠性。目前该计划进展顺利，研究工作已进入第二阶段。

XTIM计划

Sheikh于2005年从马里兰大学毕业后，成立了ASTER Labs宇航公司。2009年，ASTER Labs得到了DARPA的一个培育项目支持，研究利用X 射线脉冲星辅助美国国防部时间系统的方法。2010年，DARPA提出了X射线计时（XTIM）计划，由洛克希德·马丁公司负责实施。XTIM计划试图建立一个全局的脉冲星时系统，并准备在地球同步轨道上进行试验。该计划于2012年初通过了设备的关键设计评审。

SEXTANT项目

2011年，NASA的戈达德空间飞行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）联合美国大学空间研究联合会启动了“空间站X射线计时与导航技术试验”（SEXTANT）项目。SEXTANT同时结合了服务于科学目标的“中子星内部构成探测器”（NICER）项目与验证新概念的“X射线通信”（XCOM）项目，即：SEXTANT=XNAV+NICER+XCOM。SEXTANT仍使用XNAV这个缩写，不过全称变为“X-ray Navigation”（X射线导航）。XNAV、NICER与XCOM将使用同一套设备并安装在国际空间站同一个平台上进行试验，前两者还将观测相同的脉冲星。SEXTANT/XNAV的目标是通过观测2~3颗脉冲星实现低轨航天器1 km的实时定轨精度，研究脉冲星时的长期稳定性，并对其他候选脉冲星的参数进行测定。GSFC目前已经构建了“戈达德X射线导航试验台”（GXLT），下一步将基于GXLT开发星载XNAV软件并进行实时的硬件在回路测试。如果NASA批准了SEXTANT的进一步研制计划，SEXTANT载荷将于2016年夏天发射并安装到国际空间站上，进行为期30个月的空间试验。

本文由刘四旦摘编自郑伟、王奕迪、汤国建、刘利著《X射线脉冲星导航理论与应用》一书。《X射线脉冲星导航理论与应用》是作者及其团队结合国内外最新进展，在总结提炼近10年研究成果的基础上编写而成。《X射线脉冲星导航理论与应用》首先论述了X射线脉冲星导航研究进展，接着介绍了X射线脉冲星导航的支撑理论，X射线脉冲星信号处理方法，定位/守时/定姿方法，系统论证了系统误差的传播机理，进而提出了相应的补偿方法，建立了以X射线脉冲星观测为主的多测量信息融合导航框架和基于X射线脉冲星观测的卫星星座定向参数测定技术，设计并构建了X射线脉冲星导航地面仿真验证系统。

《X射线脉冲星导航理论与应用》的特点在于开创性地提出了一系列提升X射线脉冲星导航系统性能，拓展其应用范围的措施，包括系统地分析了导航系统误差的传播机理，并提出相应的补偿方法；提出了以X射线脉冲星观测为主的多观测信息融合导航方法，弥补了X射线脉冲星导航存在的观测周期过长，难以适用于机动轨道等问题；提出了基于卫星间相对观测脉冲星，控制卫星星座整体旋转的方法，为实现自主抑制卫星星座整体旋转提供了崭新思路；设计并构建了X射线脉冲星导航地面仿真验证系统，为系统地验证该导航系统的性能提供了途径。

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