导航技术

深空探测的自主导航技术研究综述

学号：0910200129，姓名：李吉

摘要：导航定位是深空探测的基础，由于深空探测距离遥远，导航的精度要求非常高，其中测距、测速、测角依照传统地球卫星的导航定位方法很难完成。X 射线脉冲星作为自然的天体，其运行特性不会受到人为的破坏与干扰，具有适于自主导航的显著特征，非常适合于深空探测的导航。本文综合国内外现有的研究成果，系统阐述了基于 X 射线脉冲星自主导航的基本原理、关键技术、国内外的研究现状以及我国现有的基于 X 射线脉冲星自主导航技术研究的基础条件。从而指出，我国已经具备 X 射线脉冲星观测和理论研究的基本条件。基于 X 射线脉冲星的自主导航是实现航天器高精度自主导航的新思路和可行途径，对于深空探测具有重要的理论研究意义和实际工程应用价值。

关键词：深空探测；X 射线脉冲星；自主导航

1 .引言

二十一世纪以来，各主要航天大国纷纷将深空探测作为重点发展的航天领域之一；而我国也正在加紧自己的探测步伐[1]。导航定位是深空探测的基础，深空探测器在空间运行，地面站同它建立通信链路，为保证通信质量必须知道探测器在相应坐标系中的位置(距离和角度)和速度，使得天线主瓣方向能够对准探测器和接收信号，反之同理。由于深空探测距离遥远，需要精确的测角、测距和测速能力，为深空探测器导航定位。因为空间探测器定轨的优势是深空探测器的大致位置事先知道，不需要测定整个距离，只需对事先确定的值进行验证和改进。现在对于地球周围的卫星，无论是静止轨道还是低轨和中轨上的卫星，对其

定轨都不存在太大的困难。但是由于深空探测距离遥远，导航的精度要求非常高，其中测距、测速、测角依照传统地球卫星的导航定位方法很难完成[2]。

上世纪60-70年代，深空探测导航系统主要采用地基无线电外测技术为巡航阶段的探测器导航和测轨，甚至用在探测器交会阶段。80年代以来，采用甚长基线干涉技术，利用测距换算出角度，利用增加的基线长度减少测距误差的影响，测角精度达20-30nrad。NASA进而又开发了连接元干涉技术，两测站之间相距21km，宽带光纤连接的测站将收到的信号用光纤传到信号处理中心，实时导航精度达80nrad[3]。

NASA正在开发同波束干涉技术，它是在两个航天器非常接近的情况下，它们可以在地面天线的同一波束内观测，使得两个深空站天线对两个航天器同时观测，产生差分干涉测量，提供天平面上两个航天器非常精确的相对角位置[4]。

中国国内有学者提出利用地球静止轨道卫星编队进行深空导航，将卫星编队的轨道高度上升到静止轨道高度，在地球静止轨道上相距一定角度分布两个卫星编队。采用两个卫星编队相距59°地心夹角，构成天基连续导航系统。该卫星编队采用无源反向导航方法，多颗卫星共同接收深空探测器信号，依照信号到达各个卫星时间差确定探测器空间位置[5]。

但是，在深空探测的过程中，航天器远离地球，与地面通信困难且易受到干扰，因此具有自主导航能力非常重要。由于目前的导航卫星主要是为地面和近地空间应用设计的，难以应用于深空轨道；由于飞行时间很长，惯导系统漂移很大，需要引入独立的导航系统进行修正；一般的星敏感器也易于受到太阳的干扰。而

应用脉冲星导航则有望克服以上的困难。

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，实现航天器自主确定轨道、时间和姿态等导航参数。

2. X 射线脉冲星适于自主导航的显著特征

脉冲星在日心惯性系中的位置是固定的，无需提供星历；而且距离地球遥远，覆盖范围广，对深空探测轨道尤其适合；同时，脉冲周期十分稳定，其精确性和铯原子钟一样好。相对于导航卫星，X射线脉冲星作为自然的天体，其运行特性不会受到人为的破坏与干扰；相对于星敏感器，航天器上安装的X射线探测器，不会被激光、太阳致盲，由于X射线穿透性好，被污染物破坏的风险也低，同时也无需提供额外的地平信息；相对于其他波段，X射线脉冲星在X波段特征显著，可以避免空间各种信号的干扰，适当选择X射线的能量就可以把探测器做得很小，且有足够的流量敏感度和时空分辨率[6]。总之，X射线脉冲星是天然的导航星，非常适合于航天器的自主导航，且由于其距离非常遥远，在整个太阳系中都可见，尤其适合于深空探测的导航。

目前已发现脉冲星1700余颗，毫秒脉冲星100余颗，河外脉冲星10多颗。理论估计银河系中应有脉冲星6万颗，已发现的大约为3%，脉冲星的深度巡视会提供众多的发现机遇。最初发现的100颗全部是正常脉冲星，且全部是单星。当发现脉冲星数目增至500颗时，脉冲星的研究产生了一个飞跃，发现了毫秒级脉冲星双中子星系统中子星和白矮星系统中子星和大质量伴星系统脉冲星中的行星系统X射线g射线脉冲星等多类新品种。当高灵敏度的多波束巡天使脉冲星的数目增至1700时，更新的发现随之而来[7]。目前，国际上在继续进行脉冲星搜寻的同时，已有约10个脉冲星计时阵PTA先后投入工作，开始用PTA 建立独立于原子时的脉冲星时间标准。

3. X 射线脉冲星自主导航的基本原理

XNAV(the X-ray Source-based Navigation System for Autonomous Position Determination)是2004年由美国国家高级研究项目署(DARPA)提出的预研计划，已被纳入美国国防部长期发展战略规划纲要[8]。XNAV (基于X射线脉冲星自主导航系统)是利用X射线脉冲星进行太阳系内导航的新型自主导航方式，它能够为近地轨道、深空和星际空间飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的且不依赖地面的高精度导航信息[9,10]。导航精度不受航天器与地球距离影响，可补充现有DSN等人工导航系统，提高航天器的综合导航性能。

3.1 X 射线脉冲星导航定位原理

与GPS导航定位原理类似，用户同时接收三颗以上的GPS卫星的信号，就可以推算出测量地点的三维坐标。同样，探测器在某一时刻同时接收来自三颗以上的X射线脉冲星信号，就能推算出相关定位信息。

其基本原理是：测量脉冲星脉冲到达空间探测器时的相位，组成该脉冲相对于太阳系质心的相位之差，该差是探测器位置和脉冲星位置的函数，假定已知脉冲星的位置，通过一定的导航算法，即可获得观测时刻空间探测器相对太阳系质心的位置坐标[11]。

基于X射线脉冲星的导航定位方法主要有掩星法和位置增量估计法。掩星法定位是通过测量X射线穿过地平线或者从某些已知星体的后面出现时X射线流量密度的变化，结合大气模型或已知星体的信息进行处理，得到飞行器的位置。该方法在日本Ginga卫星和NRL-801试验中得到应用，得到了350m的定位精度，验