脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法
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深空探测器自主天文导航技术综述
（ ）水 手 ９号的天 文导航 １ 水 手 ９号探测器是 美 国的第一颗火 星卫星 ，该
探测器 于 １７ 年 ５月发射 ，同年 １ ９１ １月进入 火星轨 道 ，主要用于拍摄 地表照片 ，并利用 红外及 紫外仪 器分析火星大 气。水 手 ９号也是第 一个对 自主天文
于 ｘ射线源 的探 测 器 姿态 测 量算 法 和时 间保 持 锁
２ 世纪世 界 各 国都加 快 了深 空 探 测 的脚 步 。 １ 随着深 空探测任 务 的增 多 ，探测 器 的智 能 自主技
这些 观测量利 用几何 解 析 的方 法 或结 合轨 道 动力 学滤波 即可获得 探测器 的位置 、速度等导航 参数 。 早在 ２ ０世纪 ６ ０年代 ，美 国阿波罗 登月计划 中
产 生极大 的影 响。利 用探 测 器在 转 移轨 道 中遇 到 的近距 离小行 星进行 定位 ，可大大提 高导航精度 。
该 方法 的基本 原理 与 上述 基 于太 阳和行 星 的
自主导航 方法 基本 相 同 。但 由于小 行 星 和探测 器 之间距离 较近 ，因此 导航 精 度 较前 者 高 。其 缺 点 是 ，通常 ，探测 器 与小 行 星相 遇 的时 间很 短 ，且 小行 星 的观测也较 困难 。
相 环路设计方案 。 目前 ，美 国国防部 国防预先研 究 项 目局和 Ｄ Ｒ Ａ实验 室正在积极 开展 “ ＡＰ 基于 ｘ射 线 源的 自主导航验证 （ Ｎ Ｖ ”计划 。 ＸＡ ） 基 于 ｘ射 线脉 冲星 的深 空探 测 器 自主导 航 的
进 行深空探测器 的天 文导航 和姿 态确定 。近年来 ，
随着深空探测任务 的增 多 ，该方法也 随着测量仪器 和滤波方法 的改进 ，得 到越来越多 的关 注。该方法
基于X射线脉冲星的航天器自主导航算法分析
的位置信 息．通过 航天器 上脉 冲星导 航系统 对多颗 脉 冲星 的计 时观 测 （ 相位 测量）就 能解 ，
算 出观测 时刻 航天器 相对 于太 阳 系质心 的位置 坐 标 ．脉 冲星导 航 系统采 用 的脉冲 星探 测
器 的性 能 决定 了脉 冲星相 位 的测量精 度 ，这 也是 影 响航天 器位 置解 算精 度 的关 键 因素 ．
（） 中， 为相 位偏差 ， ｒ为 时间偏差 ， 为 比例 因子 ， ｇｔ为随机 噪声 ．观测轮 廓与 １式 （ ） 标 准轮廓 比较就是 要确定 上述 的 、 、 ３个 系数来得到基 本观测量 Ｔ Ａ． 过对来 Ｏ 通
自脉冲 星的量子 的探测 ，可 以创建脉 冲轮廓 】 ．探测器 能够记录 每一个单独 的 ｘ ５ ０
（ 北京无线 电计算测试研究所 北京 １ ０ ５ ） １ ０ ８ ４ （ ２计量与校准技术重点实验 室 北京 １ ０ ５ ） ０ ８ ４
捅ห้องสมุดไป่ตู้
脉冲星自转非常稳定，可以用作时间标准，许多脉冲星的空间位置、自 行、距
离、自转周期及其导数等天体测量参数和天体物理参数都能被精确测定．由于脉冲星能够
同 时提 供 时 间 信号 和 空 间位置 坐 标 ，安装 在 航 天 器 上 的 脉 冲 星 导 航 系 统 能 够 实 现 航天 器 的 自主导 航 ．首先 根 据 航 天 器 轨 道 动 力 学 方 程 预 测 航 天 器 的 位 置 ，再 通 过 航 天 器 上观 测 的脉 冲到 达 时 间 和 预报 的脉 冲 到 达 时 间 之差 ，应 用 Ｋａｍａ ｌ ｎ滤 波 计 算 航天 器位 置 估 计 的 误差 ， 从 而 对 航 天 器 的 位置 进 行 修 正 ．最 后 ，分 析 初 始 误 差 、脉 冲 到达 时 间测 量 精 度 、脉 冲星 个
算 出观测 时刻 航天器 相对 于太 阳 系质心 的位置 坐 标 ．脉 冲星导 航 系统采 用 的脉冲 星探 测
器 的性 能 决定 了脉 冲星相 位 的测量精 度 ，这 也是 影 响航天 器位 置解 算精 度 的关 键 因素 ．
（） 中， 为相 位偏差 ， ｒ为 时间偏差 ， 为 比例 因子 ， ｇｔ为随机 噪声 ．观测轮 廓与 １式 （ ） 标 准轮廓 比较就是 要确定 上述 的 、 、 ３个 系数来得到基 本观测量 Ｔ Ａ． 过对来 Ｏ 通
自脉冲 星的量子 的探测 ，可 以创建脉 冲轮廓 】 ．探测器 能够记录 每一个单独 的 ｘ ５ ０
（ 北京无线 电计算测试研究所 北京 １ ０ ５ ） １ ０ ８ ４ （ ２计量与校准技术重点实验 室 北京 １ ０ ５ ） ０ ８ ４
捅ห้องสมุดไป่ตู้
脉冲星自转非常稳定，可以用作时间标准，许多脉冲星的空间位置、自 行、距
离、自转周期及其导数等天体测量参数和天体物理参数都能被精确测定．由于脉冲星能够
同 时提 供 时 间 信号 和 空 间位置 坐 标 ，安装 在 航 天 器 上 的 脉 冲 星 导 航 系 统 能 够 实 现 航天 器 的 自主导 航 ．首先 根 据 航 天 器 轨 道 动 力 学 方 程 预 测 航 天 器 的 位 置 ，再 通 过 航 天 器 上观 测 的脉 冲到 达 时 间 和 预报 的脉 冲 到 达 时 间 之差 ，应 用 Ｋａｍａ ｌ ｎ滤 波 计 算 航天 器位 置 估 计 的 误差 ， 从 而 对 航 天 器 的 位置 进 行 修 正 ．最 后 ，分 析 初 始 误 差 、脉 冲 到达 时 间测 量 精 度 、脉 冲星 个
航天器高精度自主导航技术——基于X射线脉冲星的组合导航系统方案
航天器高精度自主导航技术——基于X射线脉冲星的组合导
航系统方案
帅平
【期刊名称】《国际太空》
【年(卷),期】2011(000)007
【摘要】航天器自主导航是指航天器利用各种测量信息实时确定位置、速度、时
间及姿态的方法和技术。
完整的自主导航包括4个基本过程:路径规划、当前状态、航迹偏差和偏差修正,因此在实际工程应用中,导航、制导与控制(GNC)系统往往是
一体化设计的。
航天器自主导航具有极其重要的工程应用价值和战略研究意义,具
体体现在两个方面:一方面可以减轻地面测控系统的工作负担,减少测控站的布设数量,减少地面站至卫星的信息注入次数,降低航天器(包括星座)系统建设和长期运行
维持的费用;另一方面能减少航天器对地面测控系统的依赖,增强系统的抗干扰、抗
摧毁和自主生存能力。
然而,从航天器自主导航应具有的自主完备性能、实时操作、不发信号、不依赖于地面站以及长时间运行等基本特征来看,目前航天器尚未实现
真正意义上的自主导航,绝大多数航天器仍然依赖地面跟踪测量系统来完成导航任务。
【总页数】8页(P44-51)
【作者】帅平
【作者单位】中国空间技术研究院
【正文语种】中文
【相关文献】
1.基于X射线脉冲星的航天器自主导航数值分析研究木
2.勇闯航天器自主导航技术前沿(上)——来自世界首颗X射线脉冲导航试验卫星的报告
3.基于X射线脉冲星的广播电视卫星自主导航技术
4.基于X射线脉冲星的航天器自主导航算法分析
5.基于X射线脉冲星的自主天文导航技术
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脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法
obs4376延迟量的确定由上述式并结合延迟量所受到的时间和空间效应有观测方程其中是飞行器的探测器在初始时刻观测到的第一个脉冲星信号与当前脉冲到达时间之差是太阳系质心相对于太阳质心的位置矢量urur4476延迟量的确定上式中的第一项称为一阶多普勒延迟即飞行器的位置矢量在脉冲星方向上的投影第二项表示周年视差影响第一项和第二项被合称为roemer迟该延迟是构成脉冲星信号观测量的主要因素
脉冲星测量技术用于深空探测 器自主导航的原理及方法
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脉冲星的发现
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脉冲星机制
当一颗恒星变成超新星时，经过激烈变化后，留下满天膨胀的气体和微 小物质，余下的核心直径只有几十到十几公里。超新星的内爆非常强烈，恒 星原子里的质子和电子被紧紧地压缩 在一起，抵消了它们的电荷，形成 中子。这种中子星可以达到水密度 的1014倍，有着极强的磁场，可以 非常快速地旋转。因为磁轴不与旋 转轴重合，二者一般具有一定的 夹角，当脉冲星高速旋转时，辐 射束将沿着磁场两极方向被抛出 ，随着脉冲星的自转，该辐射束 周期性扫过探测器的视界，形成 脉冲。
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脉冲星导航技术研究历程
12/76
研究历程
a) 脉冲星导航思想的萌芽阶段 1. 脉冲星导航思想最早于 20 世纪 70 年代提出。 2. 1971 年，Reichley，Downs 和Morris 首次描述了把射电脉冲星作为时钟的思 想。 3. 1974 年，Downs 在文献《Interplanetary Navigation Using Pulsation Radio Source》中提出一种基于射电脉冲星信号进行行星际导航的思想，标志着脉 冲星导航思想的初步形成。但由于脉冲星的射电信号强度较弱，宇宙中的射 电信号噪声强度大，导航中需要至少 25m 口径的天线接收信号，因此该方法 很难在工程中实现。 4. 20 世纪 70 年代后期，天文观测在 X 射线波段能量范围 1~20keV、频率范围 2.5×1017 ~ 4.8×1017Hz的进展，促进了对 X 射线脉冲星特性的研究。 5. 1980 年 Downs 和 Reichley 提出测量脉冲星脉冲到达时间的技术。 1981 年 Chester 和Butman 在国际上第一次正式提出利用 X 射线脉冲星进行航天器导 航的思想。
脉冲星测量技术用于深空探测 器自主导航的原理及方法
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脉冲星的发现
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脉冲星机制
当一颗恒星变成超新星时，经过激烈变化后，留下满天膨胀的气体和微 小物质，余下的核心直径只有几十到十几公里。超新星的内爆非常强烈，恒 星原子里的质子和电子被紧紧地压缩 在一起，抵消了它们的电荷，形成 中子。这种中子星可以达到水密度 的1014倍，有着极强的磁场，可以 非常快速地旋转。因为磁轴不与旋 转轴重合，二者一般具有一定的 夹角，当脉冲星高速旋转时，辐 射束将沿着磁场两极方向被抛出 ，随着脉冲星的自转，该辐射束 周期性扫过探测器的视界，形成 脉冲。
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脉冲星导航技术研究历程
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研究历程
a) 脉冲星导航思想的萌芽阶段 1. 脉冲星导航思想最早于 20 世纪 70 年代提出。 2. 1971 年，Reichley，Downs 和Morris 首次描述了把射电脉冲星作为时钟的思 想。 3. 1974 年，Downs 在文献《Interplanetary Navigation Using Pulsation Radio Source》中提出一种基于射电脉冲星信号进行行星际导航的思想，标志着脉 冲星导航思想的初步形成。但由于脉冲星的射电信号强度较弱，宇宙中的射 电信号噪声强度大，导航中需要至少 25m 口径的天线接收信号，因此该方法 很难在工程中实现。 4. 20 世纪 70 年代后期，天文观测在 X 射线波段能量范围 1~20keV、频率范围 2.5×1017 ~ 4.8×1017Hz的进展，促进了对 X 射线脉冲星特性的研究。 5. 1980 年 Downs 和 Reichley 提出测量脉冲星脉冲到达时间的技术。 1981 年 Chester 和Butman 在国际上第一次正式提出利用 X 射线脉冲星进行航天器导 航的思想。
基于X射线脉冲星的深空探测自主导航方法
基于X射线脉冲星的深空探测自主导航方法
郑伟;孙守明;汤国建
【期刊名称】《中国空间科学技术》
【年(卷),期】2008(028)005
【摘要】自主导航是实现深空探测任务的关键技术,基于X射线脉冲星的导航方法可靠、稳定、精度高,不受近地空间的限制,为深空自主导航提供了全新的思路.文章分析了X射线脉冲星导航的基本原理,提出了脉冲到达时问预报算法和整周模糊度求解方法,基于最小二乘理论研究了位置估计算法.仿真算例表明该方法在脉冲星方位误差为0.001孤秒、脉冲到达时间测量误差为1μs的情况下,140d飞行时间中定位精度优于10km,且对初始误差不敏感,可以满足深空探测的导航需要.
【总页数】6页(P1-6)
【作者】郑伟;孙守明;汤国建
【作者单位】国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙,410073;国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙,410073;国防科学技术大学航天与材料工程学院,长沙,410073
【正文语种】中文
【中图分类】V4
【相关文献】
1.基于单X射线探测器的航天器深空巡航段自主导航研究 [J], 杨成伟;郑建华
2.基于改进动静态滤波的脉冲星/CNS深空探测组合导航方法 [J], 王奕迪;郑伟;安
雪滢;孙守明
3.基于UKF的深空探测光学自主导航方法 [J], 周剑敏;张洪华
4.基于单探测器的X射线脉冲星深空导航算法 [J], 王奕迪;唐歌实;郑伟;李黎
5.基于X射线脉冲星的深空导航方法 [J], 杨博;张舒;
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脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法78页PPT
拉
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
脉冲星测量技术用于深空探测器自主 导航的原理பைடு நூலகம்方法
51、山气日夕佳，飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣，泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿，帝乡不可期。 54、雄发指危冠，猛气冲长缨。 55、土地平旷，屋舍俨然，有良田美 池桑竹 之属， 阡陌交 通，鸡 犬相闻 。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
60、生活的道路一旦选定，就要勇敢地 走到底 ，决不 回头。 ——左
脉冲星测量技术用于深空探测器自主 导航的原理பைடு நூலகம்方法
51、山气日夕佳，飞鸟相与还。 52、木欣欣以向荣，泉涓涓而始流。
53、富贵非吾愿，帝乡不可期。 54、雄发指危冠，猛气冲长缨。 55、土地平旷，屋舍俨然，有良田美 池桑竹 之属， 阡陌交 通，鸡 犬相闻 。
56、书不仅是生活，而且是现在、过 去和未 来文化 生活的 源泉。 ——库 法耶夫 57、生命不可能有两次，但许多人连一 次也不 善于度 过。— —吕凯 特 58、问渠哪得清如许，为有源头活水来 。—— 朱熹 59、我的努力求学没有得到别的好处， 只不过 是愈来 愈发觉 自己的 无知。 ——笛 卡儿
x射线脉冲星导航系统原理与方法
x射线脉冲星导航系统原理与方法一、啥是X射线脉冲星导航系统呢？小伙伴们，X射线脉冲星导航系统听起来就超级酷，它是一种利用宇宙中的X射线脉冲星来确定位置、速度等信息的导航系统哦。
想象一下，在浩瀚的宇宙中，那些遥远的脉冲星就像一个个超级精确的信标，不断地发射着信号，而我们就像在大海中航行的船只，通过接收这些信号来找到自己的路呢。
这些脉冲星的信号很有规律，就像时钟滴答滴答地走着，非常稳定，这就是它们能被用来导航的重要原因。
二、原理是啥样的？1. 脉冲星的特性。
脉冲星是一种高速旋转的中子星，它们有着超强的磁场。
当脉冲星旋转的时候，就会周期性地发射出X射线脉冲。
这些脉冲的周期非常稳定，有的脉冲星的脉冲周期可以精确到纳秒级别呢。
就好比是宇宙中最精准的时钟，这种稳定性为导航提供了很好的基础。
2. 信号接收与处理。
我们在地球上或者航天器上设置专门的探测器来接收脉冲星发射的X射线脉冲信号。
当接收到这些信号后，就要进行处理啦。
因为在宇宙中信号会受到很多干扰，比如星际介质的吸收、散射等。
我们要通过一系列复杂的算法把有用的信号提取出来，就像从一堆沙子里把金子挑出来一样不容易。
然后根据脉冲信号到达的时间、强度等信息，来计算我们相对于脉冲星的位置关系。
三、方法有哪些？1. 定位方法。
- 利用多个脉冲星定位。
我们可以同时观测多个脉冲星。
每个脉冲星相对于我们的位置是不同的，就像在不同方向上有好几个灯塔。
通过测量从不同脉冲星接收到的脉冲信号的到达时间差，就可以确定我们在三维空间中的位置。
这就好比我们知道了从不同灯塔发出的光到达我们这里的时间差，就能算出我们在海上的位置啦。
- 基于脉冲星信号模型的定位。
根据脉冲星发射信号的理论模型，我们可以对实际接收到的信号进行拟合。
如果拟合得好，就说明我们对自己的位置估计得比较准确。
这个方法就像是按照一张精确的地图来找到自己的位置，不过这张地图是基于脉冲星的信号模型画出来的。
2. 导航精度提升方法。
【优】利用X射线脉冲星实现航天器自主导航的技术和原理探索黑洞天体物理前沿问题年度研讨最全PPT资料
HXMT可以实现高灵敏度和高空间分辨的硬X射线能区 的深度全天巡天，发现约一千个被尘埃遮挡的超大质量黑 洞。
≥ Hard X-ray Sky HXMT
5
Chandra卫星最近在约9平方度的区域软X 射线能段发现上千个超大质量黑洞
• "Instead of finding a whole range, we found nearly all of the black holes are either naked or covered by a dense veil of gas," said Hickox. "Very few are in between, which makes us question how well we know the environment around these black holes."
对每一次观测，需要完成数据质量报告。
通过黑洞、中子星、活动星系核等高能天体的光变性质和光谱，研究致密天体和黑洞强引力场中动力学和高能辐射过程。
路由器
千兆交换机
内部防火墙
数据 文件服务器
开发：队伍建设
周建锋 都志辉 白晓颖 杨洋 聂建胤 沈宗俊 金颖康 程志力 王曼 谢继辉 王堃 许晨敏
IF06 提案数据
观测提案申请
IF07 数据发布
数据发布
用户与科学数据中心的硬件架构
HSOC
HXMT用户
HXMT用户与科学数据中心
路由器
根据HXMT科学目标的要求，通过数据库建设、数据格式设计、数据分析流程设计 等内容将科学目标的实现转化为数据分析的过程，
为用户使用HXMT数据提供技术支持，并负责征集、评审客座观测提案，是保证HXMT科学目标实现的重要建 设内容。
≥ Hard X-ray Sky HXMT
5
Chandra卫星最近在约9平方度的区域软X 射线能段发现上千个超大质量黑洞
• "Instead of finding a whole range, we found nearly all of the black holes are either naked or covered by a dense veil of gas," said Hickox. "Very few are in between, which makes us question how well we know the environment around these black holes."
对每一次观测，需要完成数据质量报告。
通过黑洞、中子星、活动星系核等高能天体的光变性质和光谱，研究致密天体和黑洞强引力场中动力学和高能辐射过程。
路由器
千兆交换机
内部防火墙
数据 文件服务器
开发：队伍建设
周建锋 都志辉 白晓颖 杨洋 聂建胤 沈宗俊 金颖康 程志力 王曼 谢继辉 王堃 许晨敏
IF06 提案数据
观测提案申请
IF07 数据发布
数据发布
用户与科学数据中心的硬件架构
HSOC
HXMT用户
HXMT用户与科学数据中心
路由器
根据HXMT科学目标的要求，通过数据库建设、数据格式设计、数据分析流程设计 等内容将科学目标的实现转化为数据分析的过程，
为用户使用HXMT数据提供技术支持，并负责征集、评审客座观测提案，是保证HXMT科学目标实现的重要建 设内容。
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脉冲星测量技术用于深空探测 器自主导航的原理及方法
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脉冲星的发现
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脉冲星机制
当一颗恒星变成超新星时，经过激烈变化后，留下满天膨胀的气体和微 小物质，余下的核心直径只有几十到十几公里。超新星的内爆非常强烈，恒 星原子里的质子和电子被紧紧地压缩 在一起，抵消了它们的电荷，形成 中子。这种中子星可以达到水密度 的1014倍，有着极强的磁场，可以 非常快速地旋转。因为磁轴不与旋 转轴重合，二者一般具有一定的 夹角，当脉冲星高速旋转时，辐 射束将沿着磁场两极方向被抛出 ，随着脉冲星的自转，该辐射束 周期性扫过探测器的视界，形成 脉冲。
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脉冲星的发现
20世纪30年代，发现中子以后，苏联理论物理学家就预言了宇宙中存在 由中子组成的星体，其密度极高，体积极小，辐射很弱。当时的天文观测主 要依赖于光学观测，由于中子星体积小，光度比普通恒星小几十亿倍，因此 很难发现预言中的中子星。 1967年，英国剑桥大学的休伊什教授 及其博士研究生贝尔利用观测行星际闪烁的 射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星；1976年 ，英国的天文观测卫星羚羊5号首次观测到脉 冲星X射线辐射信号。
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脉冲星导航技术研究历程
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研究历程
a) 脉冲星导航思想的萌芽阶段 1. 脉冲星导航思想最早于 20 世纪 70 年代提出。 2. 1971 年，Reichley，Downs 和Morris 首次描述了把射电脉冲星作为时钟的思 想。 3. 1974 年，Downs 在文献《Interplanetary Navigation Using Pulsation Radio Source》中提出一种基于射电脉冲星信号进行行星际导航的思想，标志着脉 冲星导航思想的初步形成。但由于脉冲星的射电信号强度较弱，宇宙中的射 电信号噪声强度大，导航中需要至少 25m 口径的天线接收信号，因此该方法 很难在工程中实现。 4. 20 世纪 70 年代后期，天文观测在 X 射线波段能量范围 1~20keV、频率范围 2.5×1017 ~ 4.8×1017Hz的进展，促进了对 X 射线脉冲星特性的研究。 5. 1980 年 Downs 和 Reichley 提出测量脉冲星脉冲到达时间的技术。 1981 年 Chester 和Butman 在国际上第一次正式提出利用 X 射线脉冲星进行航天器导 航的思想。
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SBIR 资助计划
c) SBIR 资助计划 2006 年 ， 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。 1. 第一阶段，Microcosm公司论证了 X 射线脉冲星导航的可行性，分析不同星 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。 2. 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。 3. 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。
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XNAV 计划
b) 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 导航系统提供可靠备份。 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；为试验平台加工生产 X 射线 探测器；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。
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研究历程
c) 脉冲星导航理论的初步成型阶段 进入新世纪，随着人们对脉冲星在 X 波段了解的深入，X 射线脉冲星自 主导航理论初步成型。 1. 2004 年， Josep 等人在文献《Feasibility Study for a Spacecraft Navigation System relying on Pulsar Timing Informatio》中详细阐述了脉冲星导航原理和 脉冲星信号模型，并分析了实现的可行性。 2. 2005 年 Dennis在其硕士学位论文中把 X 射线脉冲星自主导航方法与 GPS 卫 星轨道确定结合起来，为提高 GPS 卫星的自主性提供了新的思路。 3. 同年，Suneel在其博士论文中系统阐述了 X 射线脉冲星自主导航方法，提出 多种定位、授时方案，标志着 X 射线脉冲星自主导航理论初步成型。
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研究历程
d) 脉冲星导航理论的完善提高阶段 1. 2007 年 4 月在美国马萨诸塞州剑桥市举办的第 63 届导航协会年会上设立了 X 射线脉冲星导航专题报告分会，与会学者就脉冲星导航中的一些关键问题 进行了充分交流。 2. 2008 年 5 月在加利福尼亚蒙特里举办的 IEEE/ION PLANS 年会上，John 和 Emadzadeh 分别作了关于脉冲星导航的大会报告，讨论了脉冲星导航中的精 度和相对导航等问题。 3. 在 2008 年 GNC 学术会议上，针对脉冲星导航中的一些基本问题，Graven等 人提出了相关技术方案，分析评估了守时精度和导航性能，指出目前脉冲星 导航在信号源模型、探测器、导航算法及演示验证方面尚存在一些问题有待 进一步深入研究。 4. 针对基于 X 射线脉冲星的相对导航问题，2009 年在 IEEE 的决策与控制和 AIAA 的 GNC会议上，Emadzadeh 建立了航天器在轨测量的光子到达事件数 学模型，提出采用历元叠加的方法来恢复脉冲星信号，研究了基于非线性最 小二乘和极大似然估计的信号时延估计算法，并将算法精度与导航精度极限 CRLB 进行了仿真比较。
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USA 试验
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， 其主要目的是验证利用空间 X 射线源进行导航的可行性。 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为 3 年，由于搭载的探测器性能不高和运 行期间星载 GPS 系统发生故障等多方面原因，导致脉冲星导航的定位精度不 高。但试验结果表明，X 射线脉冲星导航这一前瞻性导航方式是可行的。
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研究历程
b) 脉冲星导航理论的成长阶段 20 世纪 80 年代和 90 年代，X 射线脉冲星导航理论得到了长足发展， 在定位、定姿和授时研究方面取得了一定成果。20 世纪 80 年代，随着天文 理论的发展和观测手段的进步，人们对 X 射线脉冲星的特性有了更深刻的了 解。 • 1982 年，随着第一颗毫秒脉冲星的确认，人们发现某些毫秒脉冲星可用作天 然高精度的频率标准源，据此提出了建立毫秒脉冲星时的想法。 • 1993 年，Wood建议研究一个广泛适用的 X 射线导航系统，包括姿态、位置、 时间以及演示验证任务。 • John 将这方面工作继续深入，1996 年在其博士论文中详细讨论了利用 X 射线 天体源来确定航天器姿态和时间的方法。 在此阶段，定位研究主要集中在掩 星法，精度无法满足高精度导航需求。
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脉冲到达时间TOA
在利用脉冲星进行导航的过程中，最为重要的观测量为脉冲星脉冲信号 到达航天器时间TOA（Time of Arrival）。位置导航中利用TOA和预计的到达 时间之差解算出真实位置和预报位置之差，从而对预报位置进行修正。 因此，射电脉冲星在导航领域具有很大的应用潜能。在近地轨道导航领 域，射电脉冲星定位将成为 GPS的备份与补充；脉冲星的两个磁极各有一个 辐射波束，根据星体自转情况，周期性地向航天器上的探测设备发射脉冲信 号，从而为那些星际旅行的航天器指引方向。脉冲星犹如太空之海永不熄灭 的灯塔，是天造地设的导航标识。 脉冲星自转周期范围从几毫秒到10余秒，周期稳定性极好，毫秒级脉冲 星被誉为自然界最稳定的时钟。
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已发现的脉冲星
目前，已发现的射电脉冲星约有1800颗，其中毫秒脉冲星约占10％，而 已发现的X射线脉冲星约有 140颗，其中10余颗脉冲星具有良好的 X射线周期 性稳定辐射特性。通过天文观测，我们可以确定脉冲星的相关参数，包括脉 冲星的自转参数（自转的初始相位、自转频率及其导数）和天体测量参数 （空间位置、自行和距离）。利用脉冲星的已知参数，我们可以建立相关模 型，为空间飞行器提供导航服务。
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Plot of X-ray sources along globe viewed from 45° RA and 45° Dec
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Plot of X-ray sources along globe viewed from -45° RA and 225° Dec
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Plot of X-ray sources from XNAVSC in Galactic longitude and latitude
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XNAV 计划
XNAV 计划自 2004 年启动，分三个阶段实施。 1. 2004~2006 年是概念可行性研究阶段，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； 2. 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； 3. 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 2 月，XNAV 计划在 RDT&E 预算项目中申请研究经费 1658.4 万美元。2007 年后该项目的进展情况无法从公开文献中查到，估计目 前已取得重大突破。
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脉冲星的发现
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脉冲星机制
当一颗恒星变成超新星时，经过激烈变化后，留下满天膨胀的气体和微 小物质，余下的核心直径只有几十到十几公里。超新星的内爆非常强烈，恒 星原子里的质子和电子被紧紧地压缩 在一起，抵消了它们的电荷，形成 中子。这种中子星可以达到水密度 的1014倍，有着极强的磁场，可以 非常快速地旋转。因为磁轴不与旋 转轴重合，二者一般具有一定的 夹角，当脉冲星高速旋转时，辐 射束将沿着磁场两极方向被抛出 ，随着脉冲星的自转，该辐射束 周期性扫过探测器的视界，形成 脉冲。
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脉冲星的发现
20世纪30年代，发现中子以后，苏联理论物理学家就预言了宇宙中存在 由中子组成的星体，其密度极高，体积极小，辐射很弱。当时的天文观测主 要依赖于光学观测，由于中子星体积小，光度比普通恒星小几十亿倍，因此 很难发现预言中的中子星。 1967年，英国剑桥大学的休伊什教授 及其博士研究生贝尔利用观测行星际闪烁的 射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星；1976年 ，英国的天文观测卫星羚羊5号首次观测到脉 冲星X射线辐射信号。
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脉冲星导航技术研究历程
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研究历程
a) 脉冲星导航思想的萌芽阶段 1. 脉冲星导航思想最早于 20 世纪 70 年代提出。 2. 1971 年，Reichley，Downs 和Morris 首次描述了把射电脉冲星作为时钟的思 想。 3. 1974 年，Downs 在文献《Interplanetary Navigation Using Pulsation Radio Source》中提出一种基于射电脉冲星信号进行行星际导航的思想，标志着脉 冲星导航思想的初步形成。但由于脉冲星的射电信号强度较弱，宇宙中的射 电信号噪声强度大，导航中需要至少 25m 口径的天线接收信号，因此该方法 很难在工程中实现。 4. 20 世纪 70 年代后期，天文观测在 X 射线波段能量范围 1~20keV、频率范围 2.5×1017 ~ 4.8×1017Hz的进展，促进了对 X 射线脉冲星特性的研究。 5. 1980 年 Downs 和 Reichley 提出测量脉冲星脉冲到达时间的技术。 1981 年 Chester 和Butman 在国际上第一次正式提出利用 X 射线脉冲星进行航天器导 航的思想。
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SBIR 资助计划
c) SBIR 资助计划 2006 年 ， 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。 1. 第一阶段，Microcosm公司论证了 X 射线脉冲星导航的可行性，分析不同星 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。 2. 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。 3. 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。
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XNAV 计划
b) 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 导航系统提供可靠备份。 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；为试验平台加工生产 X 射线 探测器；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。
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研究历程
c) 脉冲星导航理论的初步成型阶段 进入新世纪，随着人们对脉冲星在 X 波段了解的深入，X 射线脉冲星自 主导航理论初步成型。 1. 2004 年， Josep 等人在文献《Feasibility Study for a Spacecraft Navigation System relying on Pulsar Timing Informatio》中详细阐述了脉冲星导航原理和 脉冲星信号模型，并分析了实现的可行性。 2. 2005 年 Dennis在其硕士学位论文中把 X 射线脉冲星自主导航方法与 GPS 卫 星轨道确定结合起来，为提高 GPS 卫星的自主性提供了新的思路。 3. 同年，Suneel在其博士论文中系统阐述了 X 射线脉冲星自主导航方法，提出 多种定位、授时方案，标志着 X 射线脉冲星自主导航理论初步成型。
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研究历程
d) 脉冲星导航理论的完善提高阶段 1. 2007 年 4 月在美国马萨诸塞州剑桥市举办的第 63 届导航协会年会上设立了 X 射线脉冲星导航专题报告分会，与会学者就脉冲星导航中的一些关键问题 进行了充分交流。 2. 2008 年 5 月在加利福尼亚蒙特里举办的 IEEE/ION PLANS 年会上，John 和 Emadzadeh 分别作了关于脉冲星导航的大会报告，讨论了脉冲星导航中的精 度和相对导航等问题。 3. 在 2008 年 GNC 学术会议上，针对脉冲星导航中的一些基本问题，Graven等 人提出了相关技术方案，分析评估了守时精度和导航性能，指出目前脉冲星 导航在信号源模型、探测器、导航算法及演示验证方面尚存在一些问题有待 进一步深入研究。 4. 针对基于 X 射线脉冲星的相对导航问题，2009 年在 IEEE 的决策与控制和 AIAA 的 GNC会议上，Emadzadeh 建立了航天器在轨测量的光子到达事件数 学模型，提出采用历元叠加的方法来恢复脉冲星信号，研究了基于非线性最 小二乘和极大似然估计的信号时延估计算法，并将算法精度与导航精度极限 CRLB 进行了仿真比较。
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USA 试验
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， 其主要目的是验证利用空间 X 射线源进行导航的可行性。 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为 3 年，由于搭载的探测器性能不高和运 行期间星载 GPS 系统发生故障等多方面原因，导致脉冲星导航的定位精度不 高。但试验结果表明，X 射线脉冲星导航这一前瞻性导航方式是可行的。
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研究历程
b) 脉冲星导航理论的成长阶段 20 世纪 80 年代和 90 年代，X 射线脉冲星导航理论得到了长足发展， 在定位、定姿和授时研究方面取得了一定成果。20 世纪 80 年代，随着天文 理论的发展和观测手段的进步，人们对 X 射线脉冲星的特性有了更深刻的了 解。 • 1982 年，随着第一颗毫秒脉冲星的确认，人们发现某些毫秒脉冲星可用作天 然高精度的频率标准源，据此提出了建立毫秒脉冲星时的想法。 • 1993 年，Wood建议研究一个广泛适用的 X 射线导航系统，包括姿态、位置、 时间以及演示验证任务。 • John 将这方面工作继续深入，1996 年在其博士论文中详细讨论了利用 X 射线 天体源来确定航天器姿态和时间的方法。 在此阶段，定位研究主要集中在掩 星法，精度无法满足高精度导航需求。
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脉冲到达时间TOA
在利用脉冲星进行导航的过程中，最为重要的观测量为脉冲星脉冲信号 到达航天器时间TOA（Time of Arrival）。位置导航中利用TOA和预计的到达 时间之差解算出真实位置和预报位置之差，从而对预报位置进行修正。 因此，射电脉冲星在导航领域具有很大的应用潜能。在近地轨道导航领 域，射电脉冲星定位将成为 GPS的备份与补充；脉冲星的两个磁极各有一个 辐射波束，根据星体自转情况，周期性地向航天器上的探测设备发射脉冲信 号，从而为那些星际旅行的航天器指引方向。脉冲星犹如太空之海永不熄灭 的灯塔，是天造地设的导航标识。 脉冲星自转周期范围从几毫秒到10余秒，周期稳定性极好，毫秒级脉冲 星被誉为自然界最稳定的时钟。
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已发现的脉冲星
目前，已发现的射电脉冲星约有1800颗，其中毫秒脉冲星约占10％，而 已发现的X射线脉冲星约有 140颗，其中10余颗脉冲星具有良好的 X射线周期 性稳定辐射特性。通过天文观测，我们可以确定脉冲星的相关参数，包括脉 冲星的自转参数（自转的初始相位、自转频率及其导数）和天体测量参数 （空间位置、自行和距离）。利用脉冲星的已知参数，我们可以建立相关模 型，为空间飞行器提供导航服务。
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Plot of X-ray sources along globe viewed from 45° RA and 45° Dec
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Plot of X-ray sources along globe viewed from -45° RA and 225° Dec
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Plot of X-ray sources from XNAVSC in Galactic longitude and latitude
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XNAV 计划
XNAV 计划自 2004 年启动，分三个阶段实施。 1. 2004~2006 年是概念可行性研究阶段，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； 2. 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； 3. 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 2 月，XNAV 计划在 RDT&E 预算项目中申请研究经费 1658.4 万美元。2007 年后该项目的进展情况无法从公开文献中查到，估计目 前已取得重大突破。