脉冲星自主导航概述

X射线脉冲星导航的实现分析摘要 X射线脉冲星发射的X射线，具有周期高稳定性、易观测性等特点，是一种优秀的导航定位系统射线源。

现阶段对导航系统的研究，重点从卫星导航转移为天体导航，X射线脉冲星导航系统是一个主要的方向。

本文简单介绍了脉冲星及其特点，主要结合脉冲星导航的时间测量介绍其工作原理，并就X射线脉冲星导航如何实现，进行了进一步的分析。

关键词 X射线脉冲星天体导航 XNAV一、引言1967年，英国剑桥大学的Hewish等发现了第一颗射电脉冲星网。

1974年，Downs首次提出基于射电脉冲星的航天器自主轨道确定方法，并概算定轨精度达到150km。

1976年，美国的天文观测卫星Ariel-5首次观测到脉冲星的x射线辐射信号。

1981年，Chester和Butman 提出利用脉冲星X射线源为航天器导航的构想。

1993年，Wood设计了非常规恒星特征试验，继承了传统天文导航掩星方法，对利用X射线源的航天器轨道和姿态确定以及时间保持进行了综合研究。

2003年，sheikh在深入分析研究脉冲星的基本物理特征和现代卫星导航系统体制的基础上，初步论证了基于X射线脉冲星的航天器自主高精度轨道确定的可行性。

至此，X射线脉冲星导航已经成为导航研究的热点。

那么，X射线脉冲星导航定位的基本原理是怎样的呢？二、脉冲星导航的时间测量1.脉冲到达时间测量。

基于脉冲星的导航系统的基本观测量是脉冲信号的到达时间（Time Of Arrival， TOA），TOA观测量是通过将观测到的信号轮廓与一个高SNR的标准模板轮廓比对得到的。

如公式（1）所示，观测得到的脉冲轮廓p（t）与标准脉冲轮廓s（t）的差来源于以下几个因素：时间偏离τ，待定常数b，比例因子k和随机噪声η（t）。

p（t）=b+k［s（t-τ）］+η（t）（1）式中0≤t≤P，P为观测时刻脉冲星的自转周期。

根据脉冲轮廓的建立方法，脉冲轮廓是用等间隔Δt采样得到的。

在总观测时间内，大量光子N的TOA被记录下来，记为τ0~τN -1，然后被转化为惯性框架下的等效时间t0~tN-1。

脉冲星导航技术研究与应用第一章：引言脉冲星导航技术是一种基于脉冲星的天文导航方法，它与GPS 等卫星导航系统不同，它不需要卫星信号和地面基站的支持，因此具有天然的安全、隐私和抗干扰特性。

脉冲星导航技术不受天气、地形等自然条件的限制，适用于广泛的应用领域，如航空航天、海洋航行、船舶定位、智能交通、地震勘探、物流追踪和无人驾驶等。

本文将针对脉冲星导航技术的研究现状和应用前景进行论述。

第二章：脉冲星导航技术原理脉冲星是一种特殊的中子星，它既具有极强的磁场，又能以极高的速度自转。

当脉冲星的磁轴与地球连线在一定角度内时，会向地球发射一系列极短的脉冲信号，这种信号称为脉冲星射电信号。

利用脉冲星信号的周期、频率等参数，可以确定地面接收器和脉冲星的相对位置和速度，从而实现对地球定位和导航。

脉冲星导航技术主要包括单点定位和差分定位两种方法。

单点定位是指通过接收一颗脉冲星的信号，利用计算方法确定接收器的位置。

差分定位是指同时接收两颗脉冲星的信号，通过计算两颗卫星的距离差或相对位置信息来确定接收器的位置。

第三章：脉冲星导航技术研究现状脉冲星导航技术的研究始于20世纪80年代，目前已经取得了一系列重要进展。

首先，对脉冲星射电信号的特性和测量方法进行了深入研究。

通过不断改进接收设备和处理算法，提高了信号测量的精度和可靠性。

其次，建立了包括数学模型、计算方法和实验验证等在内的完整的脉冲星导航系统。

该系统可以实现对接收器的实时位置和速度的定位，同时也可以提供其他相关信息，如地球引力场的测量等。

最后，针对不同的应用场景和需求，开发了一系列脉冲星导航应用软件和硬件设备，如飞行器导航、车辆定位和物流追踪等。

第四章：脉冲星导航技术应用前景由于脉冲星导航技术具有天然的优势，因此在未来的应用场景中将具有广泛的应用前景。

首先，脉冲星导航技术将成为未来新一代导航系统的重要组成部分。

特别是在高精度导航领域，由于脉冲星传输的信号稳定性和精度远高于GPS，因此它将成为无人机、航空器、火箭等高性能飞行器的首选导航方式。

天体导航之射电脉冲星导航、脉泽导航董江云南天文台传统的天体导航•传统的天体导航可分为光学星光导航勺射电天文导航。

大气层内星光导航受气象条件及昼夜明暗影响，从而难以实现全天候工作，历来是天文导航技术应用的严重障碍。

所以，射电天体导航是全天候工作的必由之路。

•传统射电天文导航技术设备已经有几十年发展历史，原苏联研制的射电六分仪已经装船使用，美国的射电六分仪也已完成研制并装船试验。

他们均沿用传统的天文导航理论，只是将敏感频段由可见光改变为射电。

可用射电源数量少、射电源信号微弱，从而难以实现连续导航. 导航精度低、导航保障不连续♦设备体积庞大，直接影响射电天文导航技术的应用和发展。

经典天体导航一经纬度的确定•光学六分仪一纬度• Google —钟的历史：计时得到经度•星敏感器一测角•可靠性和冗余度是系统对抗中更要的概念。

・其国海军军舰上每天都在用天文导航（此处指以传统的以光学天体为皋础天体导航）美国海军政策要求必须有两种独立的定位手段.除GPS Z外，天文导航是•种独立的、无条件的、全球范围的、低费用的、自主式导肮系统.“姜国海军天文台应用技术部研究员J .Bangert博士在弟国国防部应用天文学论坛1995年年会上专门从天文导航算法及软件的角度，论述「夭文定位的重要性。

美国海军天文台天文应用室主任P.M.Janiczuk博士认为.天文导航“能较容易地达到1角秒测天精度，从而使定位梢度达到30米左右.不再需要任何的科学突破，所必须的技术目前都存在”。

1997年4月2日开始服没的B22A隐身轰炸机选择以NAS 27夭文导航单元及惯性导航单元构成飞行安全的双車保障. 进一步表明了其对天文导航技术的极度重视，其深远意义发人深思。

•俄罗斯一直把天文导航系统放在重要位置，在星光导航潜望镜、射电六分仪零技术领域占据优势.并注求实效和花巨资迸行天文导航基础理论研究及实验室建设。

・英国有关人士认为，如果故方是在首先使我方的电子导航、无线电导航设备失去作用的情况下进行第一次打击，那么，天文导航就显得格外碇要。

美国脉冲星导航空间飞行试验进展丁陶伟 帅平（中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室）1引言脉冲星属于高速旋转的中子星，具有极其稳定的周期性，它被誉为自然界中最稳定的天文时钟。

脉冲星导航是以脉冲星辐射的X射线信号作为天然信标，航天器自主确定位置、速度、时间和姿态等导航参数的过程。

近十余年来，脉冲星导航一直是国际航天前沿技术研究的热点领域，备受世界航天大国关注[1-2]。

2004年，美国国防高级研究计划局（DARPA）提出“X射线导航与自主定位验证”（XNAV）计划[3]，目标是建立一个能够为航天器提供定轨精度10m、定时精度1ns、姿态测量精度3″的脉冲星导航网络。

2006年，美国国家航空航天局（NASA）启动利用X射线脉冲星的深空探测器自主导航技术研究计划，以满足2030年实现250m的轨道精度指标需求[4-5]。

2011年，NASA戈达德航天飞行中心（GSFC）的首席研究员基思·根德罗（Keith Gendreau）博士提出“中子星内部构成探测器”（NICER）任务的科学提案[6]。

同时，在NASA太空技术任务局（STMD）的资助下，GSFC联合美国大学空间研究协会（USRA）开展了“空间站X射线计时与导航技术试验”（SEXTANT）项目[7]，并将其纳入NICER任务的技术演示增强项目。

2017年6月，NICER任务探测设备成功发射至国际空间站，开始开展中子星内部结构探测研究以及SEXTANT 脉冲星导航空间飞行试验，实测验证脉冲星导航的技术可行性。

2 NICER任务概述任务背景2011年，NASA提出了新一轮的“探索者任务”（Explorers Missions）计划，选择了11项科学提案进行评估，提案包括研究地球大气、太阳、银河系以及恒星周围的类地行星等未来的潜在科学任务，进而从中选择具有最佳科学价值和可行性发展的计划作为“探索者任务”。

NICER任务作为提案之一，其计划在国际空间站上放置X射线计时仪器，以探索中子星内部物质的结构、动力学和能量辐射机SEXTANT项目工程团队SEXTANT项目经理，GSFC工程师卢克·温特尼茨担任项目系统架构师。

脉冲星导航原理
脉冲星导航是一种基于天文测量的导航方法，主要利用脉冲星的高度稳定的周期性脉冲信号来进行导航定位。

脉冲星是一类特殊的星体，它们是以极快的自转速度和规律的脉冲射电信号而闻名的天体。

以下是脉冲星导航的基本原理：
1.脉冲星的特性：脉冲星是一类自转十分迅速的中子星，它们以极快的速度自转，通常在几十毫秒到几秒之间。

由于其独特的几何形状和自转速度，它们会向地球发射规律的脉冲射电信号。

2.脉冲星信号的周期性：脉冲星的信号非常规律，其周期性非常高，可以达到亚毫秒级别。

这使得测量脉冲星信号到达的时间能够达到极高的精度。

3.多普勒频移：由于导航器和脉冲星之间的相对运动，接收到的脉冲星信号会出现多普勒频移。

通过测量这种频移，可以得到导航器相对于脉冲星的速度信息。

4.测量时间延迟：通过测量接收到的脉冲星信号到达的时间，结合多普勒频移信息，可以计算导航器与脉冲星之间的距离。

5.多颗脉冲星的组合：为了提高导航的精度和可靠性，通常会使用多颗脉冲星的信号进行组合导航。

这样，即使有一颗脉冲星不可用，系统仍然能够进行导航。

6.时钟校正：脉冲星导航系统需要高度精确的时钟。

通过对多颗脉冲星信号的测量，可以对导航器的时钟进行校正，提高导航的时空精度。

总体而言，脉冲星导航利用脉冲星的高度规律的周期性信号，通过测量时间延迟和多普勒频移，实现对导航器位置和速度的准确测量。

由于脉冲星的天文特性相对稳定，脉冲星导航系统具有很高的精度和鲁棒性，因此在一些特殊应用场合，如太空导航，可以发挥独特的优势。

脉冲星导航技术发展概况及若干思考随着科学视野的不断扩大，当今基于地基系统的GNSS导航定位技术无法满足深空探测飞行器导航定位的需要。

新兴的脉冲星导航技术可为深空探测飞行器进行导航定位。

因此，将从当今基于地基系统的GNSS导航定位技术存在的问题，什么是脉冲星，脉冲星导航定位基本原理以及脉冲星导航发展现状四个方面说明脉冲星导航技术发展概况，并提出若干思考。

标签：脉冲星导航；x射线探测器；时空基准自上世纪六十年代人们发现第一颗脉冲星“小绿人”以来，科学家们就开始探索能否根据脉冲星的特性将其应用到导航定位领域。

通过探测脉冲星信号提取信号特征并将其与已知脉冲星数据库相匹配，进而精确判断出探测到的是哪一颗脉冲星的辐射信号。

这样一来，我们可通过收集脉冲星信号并匹配脉冲星数据库，可为某一目标提供其相对于若干脉冲星的相对位置，为其进行导航定位。

1当今基于地基系统的GNSS导航定位技术存在的问题目前的GNSS导航定位技术如美国的GPS、中国的北斗、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo，需依托地面上的监控中心来为卫星测姿，传递和处理卫星导航信号，进而实现导航定位功能。

为提高导航定位精度，我们需在卫星信号传播过程中进行设备延迟改正，钟差改正，相对论效应改正，地球自转改正，地球引力改正，潮汐效应改正，多路径效应改正等。

我们还需解决如何快速精确地求解整周未知数。

在卫星信号传播过程中上述各项改正研究，求解整周模糊度的研究目前仍存在一定的问题，直接阻滞了GNSS导航定位向高精度方向发展。

目前GNSS导航定位技术只能提供厘米级或分米级的成果，无法满足对定位成果精度有较高要求的研究领域的需要，如地球动力学研究。

GNSS導航定位技术基于地基系统，只能在地球及近太空领域范围内提供导航定位服务，无法为外太空以及太阳系以外的空间飞行器提供导航定位服务。

2什么是脉冲星脉冲星来源于超新星，是暮年的恒星发生大爆炸后形成的残骸在变成黑洞之前的存在状态，属于高速旋转的强磁中子星。