美国X射线脉冲星导航计划及其启示
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
脉冲星的研究及其科学意义
脉冲星的研究及其科学意义脉冲星是极端天体物理领域中比较重要的研究对象，因其特殊的物理特性和独特的发现历史而备受关注。
脉冲星本质上是一种巨大、沉重、极度致密的恒星残骸，其表面到处都笼罩着极强磁场，其旋转周期极短，高达每秒几百次甚至几千次，被广泛认为是宇宙中最稳定的天体。
本文将从脉冲星的发现历史、物理特点、研究对象等方面入手，深入探讨脉冲星的研究及其科学意义。
一、脉冲星的发现历史1958年，贝尔实验室的天文学家詹姆斯.克林特发现了一个奇怪的天体，它以旋转的方式发送着快速而规律的无线电脉冲，被称为脉冲星。
当时的科学家们非常惊讶，因为传统的天体物理学已经无法解释这样奇特的现象。
之后，人们经过长期的研究和探索，逐渐认识到了脉冲星这一新型天体的物理特性和天文意义。
此后，脉冲星成为了天文学、物理学和宇宙学等多个学科交叉研究的重要对象。
二、脉冲星的物理特点脉冲星具有许多特殊的物理特点和天文特性，主要包括以下几个方面。
（一）极端的致密度脉冲星是一类被极度压缩的恒星残骸，通常其质量为太阳质量的1-2倍，但体积仅为太阳体积的10公里左右。
这种密度已经超过了物理学界认为极限的值，也就是大约4x10^14克/厘米^3。
因此，脉冲星的压缩程度已经到达了超过范德华力、电磁力等所有基本相互作用力的极限，它们是人类目前所知宇宙中最密集的天体物质。
（二）极强的磁场脉冲星拥有极强的磁场，大约为10^12到10^15高斯。
这种强度远远超过了普通星体磁场的强度，它是由于脉冲星天体在形成的过程中发生了磁场大幅度增强的“磁演化”过程导致的。
这种强磁场对脉冲星的结构和运动具有极大的影响，例如它可以控制脉冲星的旋转和辐射过程，影响到脉冲星的辐射特性和天体物理特性。
（三）极快的自转脉冲星的旋转速率非常快，约从每秒10到每秒700次不等，其中部分脉冲星的自转速率甚至超过了每秒1000次。
脉冲星自转速率的这种快速旋转是由于气体落入脉冲星的磁场所产生的旋转磁场耦合效应所致。
美国航空航天局X射线脉冲星导航计划
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
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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
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１
近地轨 道或 火 星 中途 轨道 的
导 航 精 度
星 际 飞 行 轨 道 的
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导航 精度 行 星轨道 的 导航精 度 轨道 机 动的 导航精 度
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为 了 满 足 ＮＡＳ 和 其 他 航 天 局 迅 速 Ａ
有关于脉冲星的故事
有关于脉冲星的故事脉冲星被认为是“死亡之星”，是恒星在超新星阶段爆发后的产物。
超新星爆发之后，就只剩下了一个“核”，仅有几十公里大小，它的旋转速度很快，有的甚至可以达到每秒714圈。
在旋转过程中，它的磁场会使它形成强烈的电波向外界辐射，脉冲星就像是宇宙中的灯塔，源源不断地向外界发射电磁波，这种电磁波是间歇性的，而且有着很强的规律性。
正是由于其强烈的规律性，脉冲星被认为是宇宙中最精确的时钟。
脉冲星的存在是过去人们没有预料到的，它的性质如此奇特，以至于人们在对它的认识过程中产生了很多故事。
以下是小编为你整理的有关于脉冲星的故事，希望能帮到你。
发现脉冲星脉冲星刚发现的时候，人们以为那是外星人向我们发射的电磁波，他们在寻求宇宙中的知音。
1967年，英国剑桥新建造了射电望远镜，这是一种新型的望远镜，它的作用是观测射电辐射受行星际物质的影响。
整个装置不能移动，只能依靠各天区的周日运动进入望远镜的视场而进行逐条扫描。
1967年7月，这台仪器正式投入使用，接受波长为3.7米。
用望远镜观测并担任繁重记录处理的是休伊什的女博士研究生乔斯琳·贝尔。
在观测的过程中，细心的贝尔小姐发现了一系列的奇怪的脉冲，这些脉冲的时间间距精确的相等。
贝尔小姐立刻把这个消息报告给她的导师休伊什，休伊什认为这是受到了地球上某种电波的影响。
但是，第二天，也是同一时间，也是同一个天区，那个神秘的脉冲信号再次出现。
这一次可以证明，这个奇怪的信号不是来自于地球，它确实是来自于天外。
这是不是外星人向我们发出的文明信号呢，新闻媒体对这个问题投入了极大的热情，不久，贝尔又发现了天空中的另外几个这样的天区，最后终于证明，这是一种新型的还不被人们认识的天体——脉冲星。
1974年，这项新发现获得了诺贝尔物理奖，奖项颁给了休伊什，以奖励他所领导的研究小组发现了脉冲星。
令人遗憾的是，脉冲星的直接发现者，乔斯琳.贝尔小姐不在获奖人员之列。
事实上，在脉冲星的发现中，起关键作用的应该是贝尔小姐的严谨的科学态度和极度细心的观测。
脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法
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。
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。
关于X射线脉冲星自主导航的位置观测方程
中图分 类号 ： Ｐ１ ７ ２ ；
１ 引言
ｘ 射线 脉 冲星 自主导 航 （ Ａ ＸＮ Ｖ）的基 本 测量 方程 是光子 到 达航天 器 的时 间转换 ．在 太 阳系质 心 系 （ Ｃ ）中，设光子 从脉 冲 星 （） 出和 到达 航天 器 （）两个 事件 的时 空 Ｂ ＲＳ Ｐ 发 Ａ 坐标分 别 为 （ ， ） （ ， ）则 二 者的 时 间差值 可简 记作 ｔ 和 ， Ｐ Ａ ｃｔ （ Ａ—ｔ） 一 １ （ ， ， … ） ｐ ：１ ＋， ， （） １
（ 装甲兵工程学院基础部 北京 １０ ７ ） ０ ０ ２
摘 要 在ｘ射线脉冲星自 主导航 （ Ｎ Ｖ 中， Ｘ Ａ ） 位置观测 方程表达了 ｘ光子到达航天
器的时刻 （ ＴＯＡ） 和航天器位置的关 系．具体讨论时，一般用 ＴＯＡ和 “ 时间基准”的差值 代替 ＴＯ 用太 阳系质心系中的位置矢量表 示航天器 的位置 ． “ Ａ， 时间基准”可 以取 ｘ光子 到达太 阳系质心 （ Ｓ ）的真实时 间，也 可以取 ｘ 光子到达 Ｓ Ｂ的 “ ＳＢ Ｓ 等效 时间” 讨论 了基 ．
第 ５ ３卷 第 ２期 ２ １ 年 ３月 ０２
天 文 学 报
ＡＣＴＡ ＴＲ０ＮＯＭ Ｉ ＡＳ ＣＡ ＮＩ ＳＩ ＣＡ
Ｖｏ ．３ １ Ｎｏ ２ ５ ．
Ｍ ａ ． ０１ ｒ ．２ ２
关 于 Ｘ 射 线脉 冲星 自主导航 的 位置观 测方程 冰
姚 国政 十 费保 俊 肖 昱
述 ，由于 在实 际应 用 中，时 间基准 的确 定涉及 到 许多工 程 问题 ，取 ｔ 是 ｄ Ｂ还 Ｒ对 Ｘ Ｖ ＮＡ 的影 响是很大 的 ． 意思 的是 ， 有 我们在文 献 『 —１ 中讨论 了第 ２ １ １］ ０ 种方 法 的高 精度情 况 ， 又
X射线脉冲星导航原理
站上安装 X 射线探 测器系统 , 对硬件 接口、 导航算 法、 关键技术和性能指标等进行飞行试验 。DARPA 的最终目标是建立一个能够提供定轨精度 10m 、 定 时精度 1ns 和测姿精度 3arcsec 的脉冲星导航网络 , 以满足未来航天任务从近地轨道、 深空至星际空间 的全程高精度自主导航应用需求 。 X 射线脉冲星导航涉及诸多关键技术 , 包括脉 冲星的巡天观测与数据处理技术、 脉冲到达时间测 量与误差修正技术、 X 射线探测器与微弱信号处理 技术 、 导航定位时空基准的建立与维持技术以及自 主导航信息处理的鲁棒滤波技术等。本文将提出基 于 X 射线脉冲星的卫星自主 导航原理框架和信息 处理流程 , 概述导航定位的时空基准 , 并重点研究 X 射线脉冲星导航的数学模型以及自主导航信息处理 的鲁棒滤波算法 ,从而初步论证 X 射线脉冲星导航 的原理可行性和算法可实现性。 1 X 射线脉冲星导航的实现流程 基于 X 射线 脉冲星的 卫星自主导 航系统由 X 射线成像仪和光子计数器 ( 探测器 ) 、 星载原子时钟 、 星载计算设备 、 导航模型算法库和脉冲星模型数据 库组成。在图 1 中给出了 X 射线脉冲星导航原理框 图和信息处理流程。从图中可以看到 , 脉冲星导航 定位和姿态测量分别在两个环路中实现 , 前者的输
8
时间测量值 TOASSBΠ M。 ( 3) 脉冲到达时间与预报时间对比 调用脉冲星模型数据库 ,提取标准脉冲轮廓和脉 冲计时 模型 , 由脉 冲计 时模 型预 报脉 冲到 达时 间 TOASSBΠ Pre ;整合测量脉冲轮廓 ,并与标准轮廓进行相关 处理 ,得到脉冲到达时间差 ΔTOASSB (基本观测量 ) 。 ( 4) Kalman 滤波处理 利用多 颗脉冲星 的 ΔTOASSB 组成基 本观 测向 量 ,构造脉冲星导航定位测量方程 ,调用卫星摄动轨 道力学方程 、 卫星时钟系统状态方程和 K alman 滤波 器 ,得到卫星位置 、 速度和时间偏差估计。 ( 5) 导航参数预报 利用导航定位偏差估计值 , 可以修正卫星近似 位置 、 速度和时间等参数 ;分别采用数值积分方法和 星载时钟模型短时预报卫星位置、 速度和时间等导 航参数 ,输出到卫星平台控制系统 ,自主进行轨道控
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。
SpaceX发展路径及启示
422022年第8期卫星应用专题综述Reviews回补了前期投入；后续分别于2021年6月和2022年1月顺利完成搭载88颗微型卫星（其中85颗来自10个政府和其他商业客户）和105个商业和政府航天器（包括地球观测公司Planet 的44颗卫星）的第二、三次“顺风车”业务。
同时紧抓NASA 鼓励私营企业发展载人航天技术的机遇，获得太空通信合同7000万美元、航天器相关领域合同68亿美元，并签订2024年启动SPHEREx 太空望远镜项目发射等未来重大科学研究任务，进一步优化了合作模式。
二、发展路径逐步清晰，构建“技术、产业链、投融资”三大核心能力通过二十余年的发展，SpaceX 围绕技术路线优化、产业链协同和投融资模式创新构建形成三大核心优势：注重成熟性、通用性、创新性和官方需求适配性的技术路线不断优化，高效完备、自主可控、持续创新的产业链体系不断完善，多元化投融资能力和水平不断提升。
1.从技术路线看，SpaceX 注重成熟性、通用性、创新性和官方需求适配性一是通过对成熟、通用技术的应用，实现成本控制。
SpaceX 在零部件和设备中大量使用成熟技术，例如主力发动机——灰背隼-1中喷注器是阿波罗登月舱发动机上的同款产品，燃料箱壳体的2195铝锂合金也是成熟材料。
二是在设计和组装之前还充分考虑了部件的重复利用。
80%猎鹰-1火箭的部件设计都基于重复使用原则，同时强调产品通用化，在动力系统选择、箭体设计、导航控制等方面都尽力做到与后续产品通用，避免重复投入。
三是持续推进技术创新。
轻质化卫星、一箭多星、重载火箭、火箭回收、载人飞船等技术均位于世界前列。
四是构建紧密伙伴关系。
SpaceX 紧密对接NASA 等官方需求，开展载人龙飞船逃生系统等专项研发，成为其长达16年的密切合作伙伴。
2.从产业链协同看，SpaceX 具备高效完备、自主可控、持续创新的产业链体系一是产业链条持续优化。
SpaceX 目前已形成集卫星研发制造、火箭发射、地面站建造和卫星运维于一体、相对完备的产业链条，有效避免了庞大的供应链、传统的设计、叠加的外包订单等高成本环节，从根本上降低了实施星链计划的各类成本，并通过“顺风车”业务进一步降低了单次发射成本。
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
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
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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 ，
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。
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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
７
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ＧＯＳ卫 星 在 轨 运 行 期 间 ， 获 得 了 大 量 的 Ｘ
射 线观 测 数 据 ， 为 Ｘ 射 线 脉 冲 星 导航 研 究
提 供 了实 测 资 料 。 ２０ ０ ４年 年 初 ， ＤＡＲＰ 提 出 “ 于 Ｘ Ａ 基 射 线 源 的 自主 导 航 定 位 验 证 ” （ ＸＮＡＶ） 预
展 各 种 军 用 卫 星 系 统 。 但 是 目前 绝 大 部 分
空武器 化 的危 险依然存 在 ，国家安 全 的疆 域 已从传 统 的海陆 空延 伸到 外层 空 间 ，空 间攻
防 技 术 将 成 为 未 来 航 天 技 术 发 展 的 重 要 领 域 ，太 空 安 全 （ 括 小 行 星 对 地 球 撞 击 引 发 包
方 式 。众 多的脉冲 星资 源可供 选 用 ，能够获
图 １ 脉 冲 星灯 塔 模 型
得 较 小 的 导 航 定 位 精 度 因 子 （ Ｐ） 提 高 Ｄｏ ， 导 航 定 位 精 度 。 当前 ， 我 们 还 需 要 搜 寻 更 多 的脉 冲 星 ， 并 弄 清 其 基 本 物 理 特 征 。 ”
调研 报 告 认 为 ，真 正 的 太 空 旅 游 服 务 业 在
２１ ０ ０年 前 不 会 出 现 。 ２ １ 太 空 武 器 化 的 危 险 依 然 存 在 ．０ 由 于 航 天 系 统 在 几 场 局 部 战 争 中 已 成 为
种 空 间 控 制 规 划 、计 划 和 作 战 条 令 ， 以 及 研
究开发 各 种反卫 星武 器等 ，无 一不 是为 未来 的空 间攻 防做准 备 。印度 和韩 国在 酝酿组 建
航 空 航 天 司 令 部 ， 欧 盟 也 开 始 重 视 空 天 安 全 问 题 。这 表 明太 空 军 事 化 已经 难 以 逆 转 ，太
海 陆空各 军 兵 种作 战力 量 的 “ 增 器 ” 倍 ，近 １ ０年来 各 航 天 大 国 和 一 些 新 兴 国 家 加 快 发
进入 ２ １世 纪 以来 ，各 航 天 大 国尤 其 是 美 国和俄 罗斯采 取 的许多 举措 ，包 括组建 天
军 天 战 部 队 ，进 行 太 空 战 模 拟 演 习 和 制 定 各
感 知 能力 已成为美 国优 先 发展 的重点 。■
收 稿 日期 ： ２ ０ — ５３ ０ ６０ －０
《 际太 空》２０ 国 ０ ６年 ７月 号
船 只 导 航 的 灯 塔 （见 图 １ ）。 脉 冲 星 自 转
以满足 未来 航天 任务 从近地 轨道 、深 空 至星 际 空间飞行 的持 续 、高精度 自主导航 应用 需
求。本 文将 介绍脉 冲 星的基 本概 念和 美 国 Ｘ 射 线 脉 冲 星 导 航 计 划 ，概 述 Ｘ 射 线 脉 冲 星 导 航 的 基 本 原 理 和 工 程 意 义 ， 以 及 国 内研 究 的 基 础 条 件 和 开 展 此 项 研 究 工 作 的 可 行 性 和 必要 性。 １ 脉 冲 星 的概 念 脉 冲 星 是 大 质 量 恒 星 演 化 、 坍 缩 、 超 新
研计 划 （ 见图 ２ ， 由 马 里 兰 大 学 资 深 教 授 ） 皮 恩斯 博士全 面 负责 。Ｄ ＡＲＰ 局长 特 塞在 Ａ
犹 他 州 立 大 学 召 开 的有 关 微 小 卫 星 技 术 会 上
公 开发 言说 ： “ 我们 正在 致 力 于创 建 一个 脉
冲 星 网 络 ， 利 用 脉 冲 星 发 射 的 Ｘ 射 线 源 进 行 卫 星 自主 导 航 定 位 。 脉 冲 星 导 航 技 术 将 适 用 于 整 个 太 阳 系 ， 是 一 种 伟 大 而 独 特 的 导 航
１６ ９ ７年 ， 英 国 剑 桥 大 学 的 休 伊 什 教 授 及 其 学 生 贝 尔 博 士 发 现 第 １颗 射 电 脉 冲 星 。
目前 已发现和 编 目的脉 冲 星达 到 １ ０ ７ ０多颗 ，
在 射 电、红 外 、可 见 光、 紫 外、Ｘ射 线和 ７