X射线脉冲星导航

高速自转的中子星

脉冲星是高速自转的中子星，具有极其稳定的周期性，其稳定度优于10-19，被誉为自然界最精准的天文时钟。因此，脉冲星能够成为人类在宇宙中航行的“灯塔”，为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供自主导航信息服务。

基本信息

中文名称：X射线脉冲星导航

英文名称： X-ray Pulsar-based Navigation（XPNAV）

导航体制：脉冲到达时间测距

技术领域：航天器自主导航

提出时间： 2004年

基本概念

脉冲星是大质量恒星演化、塌缩、超新星爆发的遗迹，是一种具有超高温、超高压、超高密度、超强磁场、超强电场和超强引力场等极端物理条件的天体，其典型半径约为10千米，而质量却与太阳相当，核心密度达到1014克每立方厘米。脉冲星属于高速自转的中子星，其自转轴与磁极轴之间有一个夹角，两个磁极各有一个辐射波束。当星体自转且磁极波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时，探测设备就能接收到一个脉冲信号。脉冲星属于高速自转的中子星，其自转周期范围一般为1.6毫秒～8.5秒，具有极其稳定的周期，尤其是毫秒脉冲星的自转周期变化率达到10-19～10-21，被誉为自然界最精准的天文时钟。

脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等电磁波频段产生信号辐射。通常把在射电频段上辐射信号的脉冲星叫做射电脉冲星，把在X射线频段上辐射信号的脉冲星叫做X射线脉冲星。X射线属于高能光子，集中了脉冲星绝大部分能量，易于小型化设备探测与处理，但难于穿过地球稠密大气层，只能在地球大气层外空间观测到。

1967年，英国剑桥大学T. Hewish教授及其学生J. Bell博士发现第一颗射电脉冲星。1971年，美国X射线天文卫星Uhuru 首次探测到脉冲星辐射的X射线信号。已发现和编目的脉冲星达到2000多颗，其中约有140多颗脉冲星具有良好的X射线周期辐射特性，可以作为导航候选星。

X射线脉冲星导航是在航天器上安装X射线探测器，探测脉冲星辐射的X射线光子，测量光子到达时间和提取脉冲星影像信息，经过相应的信号和数据处理，航天器自主确定轨道、时间和姿态等导航参数的过程。其基本原理是：以同一个脉冲信号到达太阳系质心的时间与到达航天器的时间差为观测量，构造X射线脉冲星导航测量方程；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；通过同时探测4颗脉冲星，或每个弧段观测1颗脉冲星并结合航天器轨道动力学模型，求解4个未知数，实现航天器自主导航。

组成及实现流程

X射线脉冲星导航系统由X射线探测器、星载原子时钟组、太阳系行星参数数据库、X射线脉冲星模型及特征参数数据库、星载计算机设备和自主导航算法模块库等组成。其中，X射线探测器包括X射线光子计数器和X射线成像仪，分别用于提取X射线光子和脉冲星影像信息；星载原子时钟组用于保持星上时间系统，记录X射线光子到达时间；太阳系行星参数数据库提供太阳系行星星历和引力常数、太阳引力常数以及时空基准参数等；脉冲星模型及特征参数数据库提供脉冲星标准轮廓、计时模型、星历表和特征参数等；星载计算机主要用于X射线脉冲星信号处理、导航数据处理和控制指令生成等；导航算法模块库提供用于航天器自主导航的系统状态方程、量测方程、导航滤波器和导航参数预报器等软件模块。

同时，考虑到航天器导航系统的可靠性和导航信息的连续性，一般不宜采用单一的导航模式，而是采用组合导航系统。惯性导航系统（INS）具有良好的短期稳定性能，通常作为组合导航系统设备之一，以增强航天器自主导航系统容错性能和提高导航参数估计精度。惯性测量部件（IMU）主要包括陀螺仪和加速度计，提供航天器短时线加速度和角速度测量值，起着辅助导航、参数平滑和测量冗余作用。

X射线脉冲星导航系统通过三个环路来实现：星载时钟锁相环路、轨道参数确定环路和姿态参数确定环路。其中，星载时钟锁相环路的输入信息为X射线光子计数器提取的脉冲信号和相位，输出为光子到达时间；轨道参数确定环路的输入信息为光子到达时间，输出为航天器位置、速度和时钟偏差参数；姿态参数确定环路的输入信息为X射线成像仪提取的脉冲星角位置，输出为航天器姿态角参数。

星载原子时钟由于受到环境温度、振动和局部引力场波动等因素的影响而发生漂移。X射线脉冲星为航天器提供一种稳定的外部频率基准信号，用以修正星载时钟频率漂移。这样，就可以由星载时钟精确测量X射线光子的到达时间。X射线脉冲星的周期变换范围一般为几毫秒至几千秒，因而通过同时探测几颗脉冲星，就能够求解本地时间的相位整周模糊度。也就是说，每颗脉冲的周期就代表不同时间尺度的测量值，如一秒钟、一分钟、一小时和一天等。通过导航参数预报器实时获取航天器轨道参数，就可以采用这种方法来自主测定航天器本地时间。

关键技术

利用X射线脉冲星的航天器自主导航涉及诸多关键技术，主要包括：X射线脉冲星导航数据库技术；大尺度时空基准的建立与维持技术；脉冲到达时间转换模型技术；X射线脉冲星探测器技术；星载时钟的时间保持技术；以及自主导航算法与容错处理技术等。

数据库技术

通过长期累积的巡天观测数据的分析和处理，获取脉冲星的基本物理特征、高信噪比的脉冲轮廓、高精度的计时模型、脉冲星角位置、以及优选导航脉冲星等，并编目和建立脉冲星导航数据库，这属于X射线脉冲星导航的基础性研究工作。脉冲轮廓是识别脉冲星的惟一标识符，标准脉冲轮廓模板是通过长期观测数据处理，大量脉冲周期折叠和同步平均而得到的，具有极高的信噪比。脉冲星的基本物理特征参数可以从脉冲轮廓模板直接提取。导航脉冲星的优选准则分为定性和定量两个方面。品质因子是定量评价和标定脉冲星X射线信号源质量的重要指标。综合考虑脉冲星物理特性、空间环境和探测器对脉冲到达时间测量精度的影响，可以得到以脉冲周期和信噪比表示的品质因子。因此，X射线脉冲星导航数据库技术涉及脉冲星基本物理特征、脉冲星惯性角位置测定技术、导航脉冲星优选方法、计时观测与数据处理技术、脉冲星编目内容及方法等。

大尺度时空基准的建立与维持技术

脉冲星距离太阳系十分遥远，达到几万光年以上。X射线脉冲星导航涉及到航天器、地球及其空间环境、太阳系、银河系以及河外X射线源等的相互关系，因而X射线脉冲星导航的时空基准属于大尺度时空基准。在太阳系质心坐标系中所受到的惯性力与来自银河系中除太阳以外的其它恒星引力互相抵消，因此太阳系质心坐标系是典型的准惯性坐标系，能够精确表达三维位置坐标和第四维时间坐标，可以作为X射线脉冲星导航的时空基准。在实际工程应用中，还会涉及太阳质心坐标系、地心惯性坐标系、地心固联坐标系、航天器本体坐标系和探测器测量坐标系与太阳系质心坐标系之间的相互转换问题。时空基准维持与太阳系行星周期运动直接相关。坐标转换维持参数包括坐标平移、坐标旋转、尺度因子和时间偏差，以及地球章动、岁差、极移和非均匀自转参数等。对于利用X射线脉冲星进行相对导航来说，可以选择存在于地球与月球和太阳之间的拉格朗日点作为脉冲信号监测、数据更新和信息转发的基站，同样涉及时空基准的维持问题。对于利用X射线脉冲星的航天器自主导航系统，获得一套基本理论和数据处理方法、一组自洽的模型算法和常数、以及一个可实现参考框架，均属于时空基准建立和维持的研究内容。

脉冲到达时间转换技术

脉冲到达时间（TOA）是指接近于脉冲信号积分时间中间时刻的脉冲轮廓基准点的记录时间，是X射线脉冲导航的基本观测量。TOA是以原子时作为参考时标，在航天器本体坐标框架内测量得到的固有时，需要将其转换到太阳系质心坐标系中，以便同脉冲星计时模型预报TOA进行比较，从而获得航天器至太阳系质心的时间延迟量，用于确定航天器轨道和时钟参数。因此，需要深入研究X射线脉冲星导航的基本误差来源、时间基准系统、相对论效应、以及脉冲到达时间测量等，建立高精度脉冲到达时间转换的工程化模型。

X射线脉冲星探测器技术

X射线探测器是通过测量入射光子与探测器碰撞释放的能量，而达到探测X射线光子数量的目的，二维阵列探测器可以精确测定光子在网格平面上的位置，进而提取脉冲星影像和角位置信息。X射线探测器主要包括三个部分：入射预处理、探测器主体和信号处理。X射线探测器主要利用了X射线高能光子的光电效应和热敏效应特性。要求星载探测器具有灵敏度高、体积小、重量轻、长寿命和高可靠性等性能特征，脉冲到达时间测量精度达到微秒，甚至亚微秒量级。探测器系统主要包括准直仪、成像仪、光子计数器、驱动电路、数据采集电路、以及实测信号和数据处理设备等。研制适合于航天器自主导航的高灵敏度、小型化的X射线探测器系统，是X射线脉冲星导航的核心任务。

星载时钟的时间保持技术

星载原子时钟组用于记录X射线脉冲星单个光子的到达时间，因此原子时钟组的时间保持和无缝切换，包括原子时钟的比相技术、相位偏移和数字合成技术，以及利用脉冲星信号对星载原子时钟环路进行校正等方面的研究。从X射线光子计数器提取脉冲星信号和相位信息，经星载时钟测量相位预处理器，获得脉冲星相位测量和频率输出，经鉴相器和环路滤波器，利用滤波器输出相位控制数控振荡器（NCO），从而调节时钟基本频率，满足锁相环路控制门限要求，达到时钟校正和保持星上时间系统的目的。

自主导航算法与容错处理技术

X射线脉冲星导航算法研究包括两个方面的内容：一是利用X射线脉冲星的导航卫星轨道确定和时间同步算法研究；二是利用X射线脉冲星的导航卫星姿态测量算法研究。前者以脉冲到达时间为基本观测量，并进行脉冲到达时间按转换改正和时间对比，通过星载Kalman滤波器处理，估算航天器的位置、速度和时间等导航参数。后者以X射线脉冲星影像信息为基本观测量，即提取脉冲星在星体坐标系中的角位置参量，可以进行与太阳系质心坐标系之间的旋转变换，提取坐标的欧拉角信息，或利用姿态四元数方法进行滤波估计，最终获得卫星的俯仰、滚动和偏航等姿态信息。具体研究内容包括：系统测量数学模型；高精度轨道力学模型；时钟系统状态模型；测量噪声和过程噪声方差确定方法；成像仪姿态测量和扫描姿态测量模式；姿态测量和系统状态模型；自主导航滤波算法等。

在实际工程应用中，为了保持到导航系统信息的连续性，增强系统的可靠性，并提高导航系统精度，加入惯性导航系统（INS）辅助X射线脉冲星进行卫星自主导航。导航卫星自主进行导航信息处理，可能出现测量数据错误、滤波器发散和设备故障等问题，因而要求导航信息处理滤波算法具有良好的容错性能，能够进行实时故障检测、隔离与系统重构，以确保导航信息的可靠性和完好性。对脉冲星导航试验系统来说，其容错处理软件置于数学仿真平台上，通过人为加入干扰信号或错误数据，并调用相应的容错软件进行处理，以验证自主导航容错算法的可行性和可靠性。

技术特征

X射线脉冲星导航是实现航天器长时间高精度自主导航的可行途径，具有传统导航技术无法比拟的性能优势，其技术特征如下：

（1）全信息——X射线脉冲星导航能够为航天器提供10维导航信息，包括3维位置、3维速度、3维姿态和1维时间。传统的导航技术手段只能提供部分导航信息，如卫星导航能提供位置、速度和时间信息；惯性导航系统仅能提供姿态信息；传统天文导航系统只能提供姿态和位置信息。

（2）全空域——X射线脉冲星导航适用于整个太阳系，从近地轨道、深空至星际飞行的无缝导航。脉冲星辐射的X射线信号可在大气层外的整个太阳系空间被探测到，针对各类航天飞行任务需求，可以选择不同导航参考点，对导航算法进行适应性修改，以满足航天器自主导航应用需求。

（3）长时间——X射线脉冲星导航是以太阳系质心作为时空基准点，是在绝对参考框架下为航天器（导航星座）提供导航信息服务，解决导航星座整体旋转问题，实现星座长时间自主运行。

（4）高精度——X射线脉冲星导航最终精度能够达到：定轨精度10米、时间同步精度1纳秒和姿态测量精度3角秒，这是传统天文导航技术难以比拟的。

（5）自主性——脉冲星辐射的X射线信号是一种天然信标，因此X射线脉冲星导航具有信息完备性、实时操作性、不发信号、不依赖地面站和长时间运行等自主导航特征，是真正意义上的航天器自主导航的有效途径。

应用前景

X射线脉冲星能够为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息，从而实现航天器长时间高精度自主导航与精密控制，具有广阔的工程应用前景。同时，开展X射线脉冲星导航与探测技术研究，将直接促进X射线天体物理学等科学研究领域的发展。

（1）导航卫星自主导航应用领域

以GPS为代表的现代卫星导航系统能够为地球表面和近地空间用户提供全天候、全天时、高精度导航信息服务，已成为重要的空间基础设施，广泛应用于国民经济的各个领域，日益成为人们工作和生活所必需的一部分。然而，导航星座本身需要地面控制系统不断注入信息支持，不能脱离地面信息而独立运行。如果导航星座能够实现自主导航，那么将有效地减轻地面测控系统的工作负担，减少测控站的布设数量和地面站至卫星的信息注入次数，降低卫星导航系统建设和长期运行维持费用，并实时监测导航信息完好性，减少导航星座对地面控制系统的依赖，从而增强了系统的自主生存能力。基于星间链路信息的导航星座自主导航（如GPS系统），不能修正星座整体旋转误差、地球自转非均匀误差和极移残差，误差随时间不断累积，致使星座难于长时间自主运行。

基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航，是以脉冲星辐射的X射线信号作为外部信息基准，经过相应的信号和数据处理，导航卫星能够高精度地进行轨道确定、时间同步和姿态测量，自主生成导航电文和控制指令，维持星座基本构形，不存在星座整体旋转误差累积问题，实现星座长时间自主运行。因而，X射线脉冲星为导航卫星自主导航提供了一种全新思路和实现途径。

导航卫星自主导航是实现低轨道航天器高精度自主导航的基础和前提，减少低轨道航天器的管理和维持费用，符合航天器高精度无缝导航发展和应用需求。因此，深入开展X射线脉冲星自主导航技术研究，实现导航卫星长时间自主导航，必将对国民经济和社会发展起着积极推动作用。

（2）深空探测与星际飞行任务领域

对于深空探测和星际飞行任务，现代卫星导航系统无能为力。在地面建立的深空探测网，其测控信号强度随距离衰减，测量距离每增加一个天文单位（1AU），测距误差增大4千米；采用传统天文导航方式，导航精度较低、技术实现难度大，不能满足深空探测及星际飞行航天器无缝导航与精密控制要求。传统导航方式及其组合模式均难以满足深空探测与星际飞行自主导航与精密控制要求。

对于深空探测和星际飞行任务，X射线脉冲星导航与GPS系统和地基深空网相比具有其优越性。X射线脉冲星导航可以在整个太阳系内通过测量来自脉冲星辐射的X射线光子到达时间，确定相对于太阳系质心的位置与速度，是在大尺度时空基准下实现的自主导航技术。如果脉冲星的惯性角位置精度达到0.1毫角秒，且脉冲星计时模型精度、时间转换模型精度和脉冲到达时间测量精度均能够达到100纳秒，那么航天器轨道确定和授时精度就可以分别达到10米和1纳秒；同时，姿态测量精度也能达到角秒量级，能够满足深空探测和星际飞行器无缝导航与精密控制需求。

我国月球探测工程提出了“绕、落、回”三步走的发展战略。2007年10月，我国成功发射“嫦娥一号”卫星，实现了绕月飞行；2010年10月，成功发射“嫦娥二号”卫星，实现了对月球表面的高分辨率立体成像，并到达日地第二拉格朗日点（L2）进行科学探测。作为深空探测任务的第一步，这具有十分重要的科学意义，火星探测计划是拓展深空探测的必然方向。深空探测和星际飞行任务的迅速发展对地基测控系统和传统测控方式提出了严重挑战。为此，利用来自脉冲星辐射的X射线信号为航天器进行持续高精度自主导航，就显得尤为重要。

（3）空间科学研究领域

X射线探测一直是天体物理学和空间高能物理学领域的研究范畴，因此开展X射线脉冲星导航与探测技术研究，其研究成果不仅用于航天器自主导航领域，而且直接促进现代天文学、空间物理学和天体测量学等学科领域的发展，有利于学科交融和交叉领域研究，更好地开发利用脉冲星信息资源，进一步提升我国在基础理论、前沿性和探索性研究领域的水平。

发展历程

1974年，美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的G.S.Downs博士首次提出基于射电脉冲星的行星际飞行航天器自主轨道确定方法，概算定轨精度达到150千米。

1981年，美国通信系统研究所的T.J.Chester和S.A.Butman提出利用脉冲星辐射的X射线信号为航天器导航的构想。

1993年，美国海军研究实验室（NRL）的K.S.Wood博士设计了“非常规恒星特征（USA）”试验，继承传统天文导航的“掩星法”观测思路，提出利用X射线源测定航天器轨道和姿态，以及利用X射线脉冲星进行时间保持的综合方法。

2017年6月15日，中国首颗X射线空间天文卫星“慧眼”成功发射，卫星里面其中一个项目就是探索利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的技术和原理并开展在轨实验。

1996年，J.E.Hanson详细讨论了通过X射线天体源利用掩星法来确定航天器姿态和时间的方法。

1999年，搭载USA试验设备的美国空军“先进研究与全球观测卫星”（ARGOS）被发射进入高度840千米、倾角98度的太阳同步轨道，开展了基于掩星法的X射线高层大气结构及导航试验。由于USA试验中X射线导航采用了传统天文导航的掩星观测方法，因此，ARGOS卫星轨道确定精度主要取决于高层大气模型，只能达到几千米水平。严格地说，USA试验不属于真正意义上的X射线脉冲星导航范畴。

2004年，美国Maryland大学的S.I.Sheikh博士基于现代卫星导航系统体制的思想，深入研究了脉冲星的基本物理特征，提出建立脉冲星导航数据库的思路，研究脉冲到达时间转换模型，初步论证了基于X射线脉冲星的航天器自主导航的理论可行性。

综上所述，尽管40年前就提出了脉冲星导航的概念，但是基于现代卫星导航的时间测距思想，利用X射线脉冲星的航天器自主导航理论研究也只经历了10年的发展。X射线脉冲星导航技术属于航天前沿技术研究领域，具有重要的战略研究价值和广阔的工程应用价值。

2004年8月，美国国防部国防预先研究计划局（DARPA）提出“基于X射线源的自主导航定位验证（XNAV）”计划。XNAV计划分三阶段实施：可行性论证阶段、关键技术攻关与地面验证阶段以及空间飞行试验阶段。DARPA的最终目标是：建立一个能够提供定轨精度10米、定时精度1纳秒、姿态测量精度3角秒的脉冲星导航网络，以满足未来航天任务长时间高精度自主导航应用需求。同时，美国国家航空航天局（NASA）开展了X射线脉冲星应用于深空探测器自主导航技术研究。此外，欧洲空间局（ESA）、俄罗斯、德国、英国、印度、日本和澳大利亚也开展了X射线脉冲星导航技术研究与试验。

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