美国航空航天局X射线脉冲星导航计划
基于X射线脉冲星的航天器自主导航算法分析
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
美国X射线脉冲星导航计划及其启示
军 、民、商用 卫 星 系统 仍 然 “ 设 防” 不 ，存
在 固 有 的 脆 弱 性 ， 因 此 某 些 重 要 的 空 间 设 施
可 能成 为敌对 国双方 攻 防对抗 和恐 怖组 织攻
击 的 目标 。
的灾 难 ） 已 经 或 正 在 受 到 各 航 天 大 国 的 关
注 。在 新 一 轮 国 际 太 空 竞 争 中 ，保 护 卫 星 的 安 全 ，确 保 出入资讯
麓
帅 平
（ 国 空 间技 术 研 究 院） 中
口 口 ２ ０ 年 ， 美 国 国 防 高 级 研 究 计 划 局 ０４ （ ＡＲ Ａ） 提 出 了 Ｘ 射 线 脉 冲 星 导 航 计 划 ， Ｄ Ｐ
磁 场 、 超 强 电场 和 超 强 引 力 场 的 天 体 ，其 典 型半 径 约 为 １ｋ ，而 质 量 却 与 太 阳相 当， ０ｍ 核 心 密度达 到 １ ０ ｇ ｃ 。 ×１ ｋ ／ｍ。 脉 冲 星 属 于 高 速 自转 的 中 子 星 ， 其 旋 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 ， 若 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 ， 就 能 获 得 一 个 脉 冲 信 号 ， 犹 如 为 海 上
周 期 范 围 一 般 为 １ ６ ～ １ ０ Ｓ 且 具 有 ． ｍｓ ００ ， 良好 的 周 期 稳 定 性 ， 尤 其 是 毫 秒 级 脉 冲 星 的 自转 周 期 变 化 率 达 到 １ 。 １ ０ ～ ０ 誉 为 自然 界 最 稳 定 的 时 钟 。 ， 被
星爆发 的遗 迹 ，是 一 种具有 超 高 密度 、超 强
美国航空航天局地基测控网述评
本文链接：/Periodical_zght200710009.aspx
星星历及时钟参数的手段，并能 和动态监视。保障导航信息的实 和印度将发展区域卫星导航系统。
进一步改善系统的性能和提高导 时性和有效性，全面满足系统顶
卫星导航系统技术发展趋势
航定位的精度。因此，星座自主 导航、运行管理与实时监视技术
层性能指标要求。 随着地面移动通信技术的发
体现在卫星导航系统兼容性、组 合导航定位、广域增强系统、区
是新一代卫星导航系统研究的热 展，人们日益意识到时间、地点 域信号增强、信号加解密与调
门课题和发展方向。
和事件等基本信息要素的重要 制、星座自主导航以及导航与通
基于星间链路信息的导航星 性。例如，城市车载卫星导航系 信一体化等技术方向上。我们要
座自主导航，不能修正星座整体 统的应用，已提供方便快捷的信 参考现代卫星导航系统技术特征
３５８６０ｋｍ的航天器和深空航天 器，仍需陆基测控网完成测控 任务：而且天基网在轨道测量 中，虽然测速、测距精度高。 但测角精度低，不利于做机动 飞行航天器的精确定轨；此外， 天基网很难对小卫星提供测控 通信支持。因此，地基测控仍 将发挥重要作用。未来的可能 发展方向将是各测控网的融合， 建立综合航天测控网，协同完 成测控通信任务，实现一体化 的航天测控通信。口
ＮＡＳＡ也通过与商业地面站 签约，利用其航天通信支持 ＮＡＳＡ的任务。ＮＡＳＡ地基网当 前可用的商业数据服务供应商包 括：南非的哈特比斯特霍克地面 站，瑞典的雅思兰吉卫星地面 站，阿拉斯加的ＤａｔａＬｙｎｘＴＭ 站，挪威斯瓦尔巴特群岛的康斯 堡卫星服务站，位于阿拉斯加、 夏威夷和澳大利亚的通用航天网 及附属站，智利圣地亚哥的智利 大学和阿拉斯加卫星实验室。
X射钱脉冲星导航中的多普勒计算方法及实现
X射钱脉冲星导航中的多普勒计算方法及实现X射钱脉冲星导航中的多普勒计算方法及实现摘要：本文将介绍在X射线脉冲星导航系统中多普勒计算的方法及其实现。
多普勒效应是指当天体的运动引起波长的变化，从而导致接收到的频率的改变。
多普勒效应在X射线脉冲星导航中非常重要，因为它可以提供精确的位置和速度信息。
本文将深入探讨X射线脉冲星导航中的多普勒计算方法，包括基本原理、数学公式以及实现过程。
1. 引言X射线脉冲星导航是一种利用脉冲星作为天体导航信标的导航系统。
脉冲星是一类特殊的天体，具有非常规则的旋转周期和脉冲周期。
X射线脉冲星导航系统通过测量接收到的脉冲星信号的时间和频率，并结合多普勒效应的计算方法，可以实现高精度的导航定位。
2. 多普勒效应基本原理多普勒效应是物体相对于接收者的运动引起频率变化的现象。
在X射线脉冲星导航中，多普勒效应主要是由于脉冲星的运动引起的。
当脉冲星相对于接收者向远离或接近的方向运动时，接收到的信号频率就会发生变化。
3. 多普勒计算方法3.1 频移计算公式为了计算多普勒频移，可以使用以下公式：Δf = (v/c) * f其中，Δf是频移，v是物体相对于接收者的速度，c是光速，f是接收到的频率。
在X射线脉冲星导航中，可以通过测量脉冲星信号的频率和时间信息来计算多普勒频移。
3.2 多普勒速度计算公式为了计算物体相对于接收者的速度，可以使用以下公式：v = (Δf * λ) / f其中，v是物体相对于接收者的速度，Δf是频移，λ是接收到的信号波长，f是接收到的频率。
在X射线脉冲星导航中，可以通过测量脉冲星信号的频率和波长信息来计算多普勒速度。
4. 多普勒计算实现在X射线脉冲星导航中，实现多普勒计算可以通过以下步骤进行：- 使用接收设备接收脉冲星信号，并记录信号的时间和频率信息。
- 利用测量到的时间信息计算脉冲星的脉冲周期。
- 利用测量到的频率信息计算脉冲星的旋转周期。
- 根据测量到的脉冲周期和旋转周期，计算多普勒频移和速度。
组合导航技术的发展
EKF）对INS旳速度、位置、姿态以及传感器误差进 行最优估计，并根据估计成果对INS进行输出或者反 馈校正。
6、卫星导航与惯性导航组合方式（续）
松组合旳主要优点
4.3 脉冲星导航
➢ 脉冲星是太阳系以外旳遥远 天体，它们旳位置坐标，如 恒星星表一样构成一种高精 度惯性参照系；
➢ 脉冲星按一定频率发射稳定 旳脉冲信号，其长久稳定度 好于最稳定旳铯原子钟。
➢ 脉冲星能够提供绝好旳空间参照基准和时间基准，所以脉 冲星是空间飞行器旳极好旳天然导航信标。
4、天文导航（续）
系统旳容错功能。 ➢ 提升导航系统旳抗干扰能力，提升完好性。
6、卫星导航与惯性导航组合方式
6.1 涣散组合(Loosely-Coupled Integration)
松组合基本概念
➢ 松 组 合 又 称 级 联 Kalman 滤 波 (Cascaded Kalman Filter)方式。
➢ 观察量——INS和GNSS输出旳速度和位置信息旳差 值；
➢ 另外，因为没有GLONASS卫星旳精确轨道源数 据 ， 故 无 法 测 定 精 度 。 与 GPS 相 比 这 是 GLONASS旳个一主要缺陷。
2、卫星导航旳发展即存在旳问题
2.2 卫星导航存在旳问题（续）
3）GALILEO存在旳主要问题
“伽利略计划”是由欧盟委员会和欧洲空间局共同发起并 组织实施旳欧洲民用卫星导航计划，它受多个国家政策 和利益旳制约，政策具有摇摆性。 因为欧盟受美国旳影响极大，“伽利略计划”本身旳独立 性值得怀疑； GALILEO计划目前已经延后，考虑到目前旳金融危机 ，未来旳GALILEO怎样发呈现在还看不清楚。
行星际探测X射线脉冲星导航可见性研究_薛舜
0 引 言
X 射线脉冲星导航(X-ray Pulsar-based Navigation, XNAV)利用脉冲星 X 射线到达参考惯性点与探测器 的时间差来确定航天器的位置[1]；利用 X 射线成像仪提取脉冲星星点影像获得探测器与脉冲星的角度关系 从而确定探测器的姿态[2]。X 射线脉冲星能够为行星际探测器提供高精度导航信息，具有广阔的应用前景。 行星际探测 X 射线脉冲导航需要考虑太阳、行星、行星卫星、目标星等天体的遮挡和规避问题，因此
(3) (4)
式中： rSat/B 为第三天体到航天器的距离， RB 、 ha 为天体半径和大气层附加高度。则脉冲星可见条件为
2 arccos( rP/B rSat/B ) π arccos( rSat/B ( RB ha ) 2 /rSat/B ) or 2 arccos( rP/B rSat/B ) π arccos( rSat/B ( RB ha ) 2 /rSat/B )
易知，规避干扰源与规避第三天体遮挡的角位置关系变量物理意义相同，则联立方程(4)、(6)可得，
0 π min
则规避第三天体干扰时：
(7)
14
光电工程
2014 年 9 月
亦知： 0 max
π min rP/Sat rB/Sat cos( min ) ( rP/B rB/Sat ) rSat/B cos( min ) arccos( rP/B rSat/B ) min min π ，规避第三天体干扰时，由 max π ，同理可推导出 max 。
第 41 卷第 9 期
薛
舜，等：行星际探测 X为行星际探测提供导航参考的脉冲星需要进行严格的筛选 。此前，国内外已对地球轨道卫星 X 射线脉冲 星导航受地球、月球等第三天体遮挡进行了研究，建立了脉冲星角度剔选准则[4]。但是，对非地球轨道航 天器脉冲星导航选星问题未见研究， 对航天器飞行过程中姿态变化引起的脉冲星实时可见性问题没有研究， 对利用 X 射线脉冲星进行相对定位的可见性问题没有明确提出。由此本文针对以上几方面问题，研究行星 际探测导航脉冲的可见性。
高社生的导航人生
高社生的导航人生作者：刘荣刘飞帆来源：《科技创新与品牌》2013年第06期曾经，高社生一直在想，火车沿着铁轨运行，汽车沿着公路运行，那么飞机怎么飞行呢，难道空中真的有一条线存在？为什么让导弹打哪儿它就能准确地打哪儿呢？…………如今，高社生是西北工业大学自动化学院教授、博士生导师、IEEE高级会员、美国数学评论特邀评委、多家权威期刊编委。
他早已明白，飞机的飞行、导弹的精准打击，都与导航、制导与控制技术密切相关，而这也成了令他痴迷的科研方向。
“实在是太忙了！”采访中，高社生不断感叹。
因为从事的是与国防建设、航空航天发展密切相关的导航、制导与控制研究，每年除年三十以外的时间，他几乎都在实验室度过，他的学生一周也只有一天休息。
高强度的工作让他的颈椎、腰椎都出现了问题，但他无暇顾及。
前不久，美国空天飞机再次试飞成功，这种既能航空又能航天的新型飞行器，最高时速3万公里，具有重要的军事价值。
高社生对此十分关注，他说：“这就是我们与美国的差距，而在导航、制导与控制方面，这个差距最少有二三十年。
”当下，高科技战争对飞行器提出了高精度、高可靠性、高自主性的要求，各国都在思考，怎样使导航、制导的精度更高、更准，高社生也在琢磨这个问题。
近年来，他在惯性导航基础上，在国内首次提出了包含惯导、天文、合成孔径雷达在内的组合导航系统，并入选国家“863”课题，得到了诸多业内人士的认可。
研究过程中，课题组设计了一种能够覆盖各导航子系统性能，且与单一模式兼容、具有实时性和可行性的SINS/CNS/SAR自主导航系统，建立了自主导航系统仿真实验测试平台，制定了系统性能指标及评价标准。
除了技术方案先进，这一系统还具有自主性强、兼容性好、抗干扰能力强等优势，为解决飞行器导航定位的自主性问题奠定了技术基础。
同时，高社生还建立了一套完整的能适应复杂环境的组合导航高精度、非线性滤波算法和数据实时处理的新方法。
这套算法由6种算法构成，稳定性好、计算量小、数据处理实时性强，为提高飞行器自主导航的解算精度提供了新途径。
X射线脉冲星空间导航定位的脉冲到达时间差测量技术研究
X射线脉冲星空间导航定位的脉冲到达时间差测量技术研究X射线脉冲星是一种在宇宙中广泛存在的天体，其特殊的脉冲特性使其成为一种非常重要的天体学研究对象。
而准确的空间导航定位对于天体物理学研究和宇航技术发展而言也具有重要意义。
本文将探讨基于脉冲到达时间差测量的X射线脉冲星空间导航定位技术。
X射线脉冲星是一类高度磁化而旋转极快的致密天体，其磁轴与旋转轴不完全重合，使得发射出的电磁辐射在地球上形成了一系列规律的脉冲。
这种脉冲信号的特殊性质使得我们可以利用它们来进行空间导航定位。
而脉冲到达时间差测量则是一种基于多点观测的导航定位方法。
脉冲到达时间差测量的思想来源于多点测距原理。
当多个接收器同时接收到同一脉冲信号时，由于信号传播速度相同，所记录的到达时间将有微小的差异。
这种差异可以用来确定信号源到各个接收器的相对位置，从而实现空间导航定位。
实际应用中，我们通常选择地球上的多个接收站来观测脉冲到达时间差。
假设我们选择了n个接收站，每个接收站记录到达时间差与某个参考站之间的差值。
通过对这些差值进行处理和计算，我们可以得到X射线脉冲星与各个接收站之间的相对位置信息。
在脉冲到达时间差测量中，关键问题是如何准确测量到达时间。
由于X射线脉冲星辐射频率极高，其脉冲宽度很窄，通常在几微秒或更短的量级。
这就要求我们需要高精度的时钟以确保准确的时间测量。
同时，还需要对信号进行精确的编码和同步处理，以保证多个接收站记录到达时间的一致性。
为了提高定位精度，研究人员还开展了很多相关技术的研究。
例如，通过多路径传播和大气传播延迟等因素对定位误差进行修正；利用多颗卫星形成的星座系统实现多点测距；结合地球自转观测得到脉冲星的自转周期和转轴方向等信息来改善定位精度。
脉冲到达时间差测量技术在空间导航定位中具有广阔的应用前景。
它不仅可以用于天体物理学研究，例如研究突破了各种限制的脉冲星物理特性以及宇宙起源和演化等问题，还可以为宇航技术的发展提供支持，例如卫星定位和导航系统的精确校准。
基于X射线脉冲星的深空探测器自主导航方案
生 垦窒 ！ 型 兰 壁 查 旦
！ 旦 生
任务 ，规划 出最有 利的 运行轨 道 ；并利用 轨道 动力学 的知 识获 得相应 的轨 道信息 ，建 立探测 器 的轨 迹预报 器 ，预报探 测器 的位置 、速 度导航 量 ；并 以此 轨道 动力学 方程 作 为系统 的状 态 方程 。然后 根
３ 自主导 航 算 法模 型
３ １ 状 态 方 程 ． 以 三 维 惯 性 空 间 中 的 位 置 和 速 度 建 立 ６维 的 系 统 状 态 量 ｘ，
Ｘ一 ［ Ｙ
状 态 方 程 的 一 般 形 式 为
： ］
（） １
Ｘ（ ）一 ／（ （ ） （ ） ）＋ ｒ ｔ ￡ ，“ ，ｆ Ｘ ｌ ） （
Ｘ ＮＡＶ应 用 于深空 探测 器的导 航 系统 方 案 ，将 其 作 为 一种 全 新 的 深空 探 测 导航 解 算 手段 ，具 有 重
要 的理 论 意义和工 程应 用价值 【 。 ５ ｊ
２ 基 于 Ｘ射 线 脉 冲星 的 自主导 航 方 案
ｘ射 线脉 冲星是 一种 能不 断地发 出稳定 且 有 周期 性 脉 冲 信号 的特 殊 天 体 ，通 过测量 单 个 ｘ 射
对航 天 器的轨 道进 行 自主估 计确 定 。论 文 阐述 了该 方案 的导航 原理 ，在借 鉴现 有航 天 器导
航 系统 的 基 础 上 ，提 出 了基 于 Ｘ 射 线 脉 冲 星 导 航 的 方 案 ， 介 绍 了 方 案 的 硬 件 组 成 、 系统
结构 ，并针 对方 案 中导 航敏 感 器 多 冗余 的 特征 ，给 出 了基 于 多传 感 器组 合 导航 技 术 的 结 构 ，最后 用仿 真 资料对 方案做 了性能概 算和 精 度 估计 。
美国导航定位卫星的发展一一仍围绕gps政策为焦点
中断或削弱民间使用。目前主要为Ｐ码加密为Ｙ码，研制直接捕获Ｐ／Ｙ码的军用ＧＰＳ接收机。 为了补偿停ＪＥ使用ｓＡ后的较高精度的ｃＡ码被敌方利用的问题，发展电子对抗技术，在局部地 区干扰ｃＡ码，使得在该地区美军能借助ｐ／Ｙ码利用ＰＰＳ的高精度定位，而其他非授权用户均无 法利用ＣＡ码；可能还有其他正在研究的和尚术公开的新的安全措施。
链路接收其他卫星的测距信号，实行星间互相测距，提高测轨精度。当６～８颗Ｂｌｏｃｋ ＩＩ—Ｒ卫星 在轨运行后，此功能就能实现。显然ＢｌｏｃｋＩＩ－Ｒ星上改进，着重在军事目的，对民用ｃＡ码的效 果将维持在原有水平上。ＢｌｏｃｋＩＩ—Ｒ卫星仍在设计阶段，尚未定型。
３ ＧＰＳ现代化的进～步计划及外国对策
美国国防部准备启动ＧＰＳ现代化计划，已布置空军制订一个“未来全球定位、导航和授时 系统顶层要求文件（ｃｌ｛Ｄ）”，讨论ＧＰＳ近期、中期和远期的现代化问题，更好的满足ＧＰＳ或未来 星基导航系统对军用和民用导航、定位和授时的需求。在此同时，也已通知运输部界定民用要 求，并为此向国际上发出了一个对６ＰＳ现代化的技术上的征求意见书，寻求有关形成基于性能 上的民用运行要求，用以推导出来来ＧＰＳ技术上、运行上和管理上的特性，规定报送意见的截 止期为】９９７年５月１５曰。以上说明了美国强化ＧＰＳ的决心，主要旨在提高军事上的实用能力， 形成国际使用的标准，提高在企业界的竞争能力。
４）ＧＰＳ民用政策上具有独霸思想和排他性，美国总是企图阻ｊ￡其他国家发展与其相似的平 行系统。Ｉｉ＇ｍＡＲＳＡＴ在世纪２ｌ世纪Ｐ计划的ＩＣＯ卫星上被迫放穿导航搭载是其直接结果。
５）发展直接捕获Ｐ／Ｙ码的军用接收机，使ＰＰＳ和ＳＰＳ脱钩，为未来进～步放松对ＳＰＳ的军 方控制作准备。为未来ＳＰＳ交运输部运行管理并在补发替补卫星中投资，以便缩减军事开支。
X射线脉冲星空间导航定位
X射线脉冲星空间导航定位X射线脉冲星介绍脉冲星是一种快速自转并具有强磁场的中子星，其辐射的电磁波信号在沿磁极方向的一个较窄的锥体（锥角<10度）内向外传播，磁轴与旋转轴之间有一定夹角的脉冲星带着辐射光束在宇宙中扫过一个巨大的空心锥体。
可在可见光、无线电、红外线、紫外线、X射线等频段内观测到脉冲星辐射的灯塔式扫射现象。
脉冲星最重要的特征是自转周期的稳定性，周期变化率（△p/p）的典型值为10^-15，某些毫秒脉冲星的自转周期变化率可达10^-19~10^-21，被誉为“自然界最精确的频率基准”。
脉冲星单个射电脉冲的强度和形状都是不断变化的，特别是其辐射强度的变化呈现出一种近似随机的过程，其偏振特性也是非常复杂的。
但脉冲星具有稳定的累积脉冲轮廓，通过它可以测量脉冲到达时间（TOA: Time of Arrival),进而进行脉冲星辐射脉冲周期稳定性理论、脉冲星时理论及XPNA V(X-ray Pulsars-based Navigation)技术等的研究。
根据获取能量方式的不同，X射线脉冲星可以分为旋转动能X射线脉冲星（RXPSR：Rotation-powered X-ray Pulsars)、伴生X射线脉冲星（AXPSR：Accretion-powered X-ray Pulsars)和奇异X射线脉冲星（AXP：Anomalous X-ray Pulsars)三类。
旋转动能脉冲星（RPSR）的辐射能量来自于自身的旋转动能。
但大部分RPSR脉冲星缺少X射线辐射或者存在突发定时噪声。
伴生脉冲星（APSR）通过吸收伴星上的物质为其辐射提供能量。
由于脉冲双星中双星的相互吸引、旋转效应及伴星对脉冲信号的衰减和扭曲效应，AXPSR脉冲星的辐射脉冲周期表现出更加复杂的特性。
奇异X射线脉冲星辐射能量来自于自身的磁场能量。
影响X射线脉冲星导航定位的因素包括：宇宙空间分布、累积脉冲形状、脉冲周期长短、脉冲周期稳定性、X射线电磁波辐射流量、累积脉冲轮廓信噪比等。
X射线脉冲星自主导航的光传播时间方程
以上 为 Ｘ Ｖ 的基 本 测量 方程 ，式 中各项 的物 理 意义分 别 为： ＮＡ
（ Ａ。 １ ｔ 为观测者测量 Ⅳ 个脉冲的时间间隔，是直接观测量； ） （ Ａｂ ２ ｔ 是太 阳系质心接收 Ⅳ 个脉冲的时间间隔的零级近似，用来作为时间计算的 ） 基准；
（） ｒ／ 是 脉 冲从太 阳系质 心 系 Ｒ 处到 观测 者 的传播 时 间的零 级近似 ，是 确定 观 ３ 礼・ｏｃ 测者位 置矢 量 的 主要 部分 ； （） 。 周 年视 差 的影 响，与 第 ２项 一起 统 称 Ｒ ａ ｒ 移； ４ 是 ｏｍｅ 频 （） ５ 是 由于脉 冲星 的运 动速 度 产生 的 Ｄｏｐｅ 频 移 ； ｐｌ ｒ （） Ｄ是 星际 间等 离子 体 的色散 延 缓 ，它 正 比于 Ｄ／ 其 中 Ｄ 是色 散量 ， ． ｘ ６ ｆ， 厂是 射 线脉 冲 的 中间频 率；
（ ６Ｇ是广义相对论效应产生时间误差， （） ７ ｔ ） ４ 式中的 Ｍｋ 是太阳 （ “ ”， ＝ ）地球 （ ＝“ ） ０” 和太阳系其他行星 （ ＝１２… ， 的质量， ｒ。 ，， Ⅳ） 是观测者相对于这些星体的
矢径．
从理论上讲， 如果观测者同时接收到 ３ 颗脉冲星的 ｘ射线脉冲， 计算出 ｘ射线脉冲
维普资讯
２０ ０
天 文 学 报
４ ９卷
远 大于 Ｘ Ｖ 的测 量误 差 ，所 以必须考 虑高 阶效 应 ＮＡ
２ １ Ｎ 度规 下 的光线 弯 曲和 引 力延缓 Ｐ
无论 是光 线弯 曲还是 引力延缓 ，太 阳引力场都 是起 主要 作用 ，所 以我 们首先考 虑太
的技术状 态 ［． １ 】
如图 １ 所示 ， 在太 阳质心 系 （Ｃ Ｓ 中，设 ｘ射 线脉 冲星 （） Ｂ Ｒ） Ｐ 的速度 为 ， 冲传播 脉 方 向单 位矢 为 礼 脉冲 星发射 第 １和第 Ｎ个 脉 冲信 号 的事件分 别为 （ ， ） （ ， ） ， 和 ，
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研 究提 供 参 考 。
１ Ｄ Ｎ概 况 和 深 空 导航 精 度 需 求 Ｓ
Ｄ Ｎ 是 由 ＮＡＳ 喷 气 推 进 实 验 室 Ｓ Ａ （Ｐ ） 开发 和 运 行 的 世 界 上 最 大 、最 灵 ＪＬ
敏 的 测 控 通 信 网 ， 主 要 为 ＮＡＳ 的 深 空 Ａ
天器 自主确定轨道 、时间和姿态等导航参
ｋ ｍ
２３ ０ ０丘
０． ５
现 有 ＤＳ 系统 软 硬 件 设 施 外 ，还 需要 采 Ｎ
用 新 的 导航 技 术 手段 。Ｘ射 线脉 冲 星 导 航
表 １ Ｄ Ｎ在 深空探 测 任务 中的导航 定位精 度 需求 Ｓ
年 份 ２０ ０ ５生
２
２ １ 雏 ０ ０．
２
数 。Ｘ 射 线脉 冲 星导航 技 术 为解 决近 地 轨 道 和 深 空探 测 航 天 器 的持 续 高精 度 自主 导
航 与控 制 难题 提 供 了一种 新 思路 ，尤其 是
探 测器提 供 跟 踪 、导航 和 通信 服 务。 目
前 ，Ｄ Ｎ 主 要 由 美 国 加 利 福 尼 亚 州 的金 Ｓ 石 、澳 大利 亚 的 堪培 拉 和 西班 牙的 马德 里
２２ ０ ０生
１
近地轨 道或 火 星 中途 轨道 的
导 航 精 度
星 际 飞 行 轨 道 的
２ ０
２ ０
１ ０
２
导航 精度 行 星轨道 的 导航精 度 轨道 机 动的 导航精 度
（ 向） 径
６ ７ ．５
Ｏ． ３ ３
１５ ．
０． ０ ０ ０５
１
０． ０ ０ ０１
为 了 满 足 ＮＡＳ 和 其 他 航 天 局 迅 速 Ａ
２０ ０ ４年 ， 美 国 国 防 高 级 研 究 计 划 局
（ ＲＰ ＤＡ Ａ） 率 先 提 出 了 “ 于 Ｘ 射 线 源 基
增 加 的 深 空探 测 任 务 需要 ，Ｊ Ｉ 制 定 了一 Ｐ 系列 发展 计 划 ， 用 以优 化 结构 、 降低 维护
０ ０ ５ ｍ× ．２ ｋ
０ ０ ５ ｍ ． ２ｋ
０ ０ ５ ｍ× ．２ ｋ
０ ０ ５ ｍ ．２ ｋ
着陆 器定位 精度
Ｏ ０ ．１
０ Ｏ ．１
００ １ ． ０
ＯＯ １ ． ０
的 自主 导 航 定 位 验 证 ” （ ＮＡＶ） 计 划 ， Ｘ
目标是 建 立 一 个 能 够提 供 定轨 精 度 ］ ｍ、 ０ 定 时精 度 Ｉ ｓ ｎ 、姿 态测 量 精 度 ３ 的脉 冲 星 ”
费 用 、提 高服 务 质 量 。采取 的 策略 和 具体
措 施 包括 ：
・
导航 网络 ， 以满足 未 来 军事航 天任 务 高精
新 星 爆 发 的 遗 迹 ，属 于 高 速 旋 转 的 中 子 星 ，具 有 极 其稳 定 的周 期 性特 征 。Ｘ 射 线 脉 冲 星 导航 就 是 在 航 天 器 上 安 装 探 测 器 ，
以脉 冲 星 辐 射 的 Ｘ 射 线 信 号 作 为 外 部 输
入 ，经过 相 应 的信 号和 数 据 处 理 ， 实现 航
《 际太空》２ ０ 国 ０ ８年 １ Ｏ月号
任 务 的 导 航 定 位 精 度 需 求 。为 了满 足 未 来 深 空 导航 精 度 指 标 要 求 ，除 了 完善 和 改 造
技 术 的 开发 ，不仅 可为 深 空探 测 器提 供 自
主导航 增 强服 务 ，而且 有 利 于提 高 Ｄ Ｎ Ｓ 在 垂 直 于视 线 方 向上 的导 航 精 度 ，必 将 对 Ｄ Ｎ 未 来发 展 规 划产 生 重要 影 响 。 Ｓ
该 技 术 能 为 导航 星座提 供 独 立的 外部 时 空
基 准 ，从 而 实现 导航 星座 的 长 时 间 自主运
行。
等 ３个地 面站 组 成 测控 网络 ，相 邻 两站 之
间的 地 理 经 度 相 差 约 １ ０ ，这 样 可 以 为 ２。 深 空探 测 器提 供 不 间断 的 导航 通 信服 务 。
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黄 震 李明 帅平
（ 国 空 间 技 术研 究 院 ） 中
］口脉 冲星 是 大质 量 恒 星 演化 、坍 缩 、超
绍 ，为 我 国 开展 Ｘ 射 线 脉 冲 星 导 航 技 术
在 简要 概 述 ＮＡＳ 深 空 网 （ Ｓ Ａ Ｄ Ｎ） 状 况 和 未 来 深 空 导 航 精 度 需 求 的 基 础 上 ， 对
ＮＡＳ 利 用 Ｘ 射 线 脉 冲 星 的 深 空 导 航 研 Ａ 究计 划 及 其 阶 段 性 研 究 成 果 进 行 详 细 介
８
输速 率；
・
航 和通 信 提 供 支持 。 表 １ 出 了 ＮＡＳ 规 划 的 深 空探 测 给 Ａ
信 息输 出能 力 ；
・
建 立 由数 千 个 小 口径 天 线 组成 的 甚
（ Ｂ Ｒ 项 目合 同 ，启 动 利 用 Ｘ 射 线 脉 冲 ＳＩ） 星 的深 空探 测 器 自主 导航 技 术研 究 。本 文
大规 模 天 线 阵 ；
・
建 立 深 空 光 学通 信 网 ，提 高信 息传 建 立 火星 网 ，为 未 来 火星探 测 的导
０ ２ ．５
＜ ０． ０ ０ ０１
类地行 星表 面着 陆精 度
（ 差椭 圆） 误
２ｋ １
ｍ× ５ ｋｍ
７ ｍ ×７ ｋ ｋｍ
１ ｍ ×１ ｋ ｋｍ ０ ｋ × ０ ｋｍ ．１ ｍ ．１
小行 星表 面 着陆精 度
（ 差椭 圆） 误
０ ０ ３ ｍ× ．０ ｋ
０ ０ ３ ｍ ．０ ｋ
度 自主 导 航 应 用 需 求 。 ２ ０ ０ ６年 ， 美 国航
空航 天 局 （ ＮＡＳ Ａ） 与 微 观 世 界 公 司
（ ｉｒｃ ｓ Ｍ ｃｏ ｏ Ｎ 天 线 ，使 其 具 有 Ｋａ Ｓ
频 段 遥 测 能 力 、 多 目标 跟 踪 能 力及 强 大的