基本介紹
- 中文名：X射線脈衝星導航
- 外文名：X-ray Pulsar-based Navigation（XPNAV）
- 導航體制： 脈衝到達時間測距
- 技術領域： 太空飛行器自主導航
基本信息,基本概念,系統組成及實現流程,關鍵技術,X射線脈衝星導航資料庫技術,大尺度時空基準的建立與維持技術,脈衝到達時間轉換技術,X射線脈衝星探測器技術,星載時鐘的時間保持技術,自主導航算法與容錯處理技術,技術特徵,套用前景,發展歷程,
基本信息
中文名稱：X射線脈衝星導航
英文名稱： X-ray Pulsar-based Navigation（XPNAV）
導航體制： 脈衝到達時間測距
技術領域： 太空飛行器自主導航
提出時間： 2004年
基本概念
脈衝星是大質量恆星演化、塌縮、超新星爆發的遺蹟，是一種具有超高溫、超高壓、超高密度、超強磁場、超強電場和超強引力場等極端物理條件的天體，其典型半徑約為10千米，而質量卻與太陽相當，核心密度達到1014克每立方厘米。脈衝星屬於高速自轉的中子星，其自轉軸與磁極軸之間有一個夾角，兩個磁極各有一個輻射波束。當星體自轉且磁極波束掃過安裝在地面或太空飛行器上的探測設備時，探測設備就能接收到一個脈衝信號。脈衝星屬於高速自轉的中子星，其自轉周期範圍一般為1.6毫秒～8.5秒，具有極其穩定的周期，尤其是毫秒脈衝星的自轉周期變化率達到10-19～10-21，被譽為自然界最精準的天文時鐘。
圖2 脈衝星信號輻射模型
圖2 脈衝星信號輻射模型脈衝星在射電、紅外、可見光、紫外、X射線和γ射線等電磁波頻段產生信號輻射。通常把在射電頻段上輻射信號的脈衝星叫做射電脈衝星，把在X射線頻段上輻射信號的脈衝星叫做X射線脈衝星。X射線屬於高能光子，集中了脈衝星絕大部分能量，易於小型化設備探測與處理，但難於穿過地球稠密大氣層，只能在地球大氣層外空間觀測到。
1967年，英國劍橋大學T. Hewish教授及其學生J. Bell博士發現第一顆射電脈衝星。1971年，美國X射線天文衛星Uhuru 首次探測到脈衝星輻射的X射線信號。已發現和編目的脈衝星達到2000多顆，其中約有140多顆脈衝星具有良好的X射線周期輻射特性，可以作為導航候選星。
X射線脈衝星導航是在太空飛行器上安裝X射線探測器，探測脈衝星輻射的X射線光子，測量光子到達時間和提取脈衝星影像信息，經過相應的信號和數據處理，太空飛行器自主確定軌道、時間和姿態等導航參數的過程。其基本原理是：以同一個脈衝信號到達太陽系質心的時間與到達太空飛行器的時間差為觀測量，構造X射線脈衝星導航測量方程；該方程有4個未知數，包括3個位置坐標分量和1個時鐘偏差量；通過同時探測4顆脈衝星，或每個弧段觀測1顆脈衝星並結合太空飛行器軌道動力學模型，求解4個未知數，實現太空飛行器自主導航。
圖3 X射線脈衝星導航原理
圖3 X射線脈衝星導航原理系統組成及實現流程
X射線脈衝星導航系統由X射線探測器、星載原子時鐘組、太陽系行星參數資料庫、X射線脈衝星模型及特徵參數資料庫、星載計算機設備和自主導航算法模組庫等組成。其中，X射線探測器包括X射線光子計數器和X射線成像儀，分別用於提取X射線光子和脈衝星影像信息；星載原子時鐘組用於保持星上時間系統，記錄X射線光子到達時間；太陽系行星參數資料庫提供太陽系行星星曆和引力常數、太陽引力常數以及時空基準參數等；脈衝星模型及特徵參數資料庫提供脈衝星標準輪廓、計時模型、星曆表和特徵參數等；星載計算機主要用於X射線脈衝星信號處理、導航數據處理和控制指令生成等；導航算法模組庫提供用於太空飛行器自主導航的系統狀態方程、量測方程、導航濾波器和導航參數預報器等軟體模組。
圖4 X射線脈衝星導航系統組成
圖4 X射線脈衝星導航系統組成同時，考慮到太空飛行器導航系統的可靠性和導航信息的連續性，一般不宜採用單一的導航模式，而是採用組合導航系統。慣性導航系統（INS）具有良好的短期穩定性能，通常作為組合導航系統設備之一，以增強太空飛行器自主導航系統容錯性能和提高導航參數估計精度。慣性測量部件（IMU）主要包括陀螺儀和加速度計，提供太空飛行器短時線加速度和角速度測量值，起著輔助導航、參數平滑和測量冗餘作用。
X射線脈衝星導航系統通過三個環路來實現：星載時鐘鎖相環路、軌道參數確定環路和姿態參數確定環路。其中，星載時鐘鎖相環路的輸入信息為X射線光子計數器提取的脈衝信號和相位，輸出為光子到達時間；軌道參數確定環路的輸入信息為光子到達時間，輸出為太空飛行器位置、速度和時鐘偏差參數；姿態參數確定環路的輸入信息為X射線成像儀提取的脈衝星角位置，輸出為太空飛行器姿態角參數。
圖5 X射線脈衝星導航系統實現流程
圖6 基於X射線脈衝星的太空飛行器姿態測量
圖5 X射線脈衝星導航系統實現流程圖6 基於X射線脈衝星的太空飛行器姿態測量星載原子時鐘由於受到環境溫度、振動和局部引力場波動等因素的影響而發生漂移。X射線脈衝星為太空飛行器提供一種穩定的外部頻率基準信號，用以修正星載時鐘頻率漂移。這樣，就可以由星載時鐘精確測量X射線光子的到達時間。X射線脈衝星的周期變換範圍一般為幾毫秒至幾千秒，因而通過同時探測幾顆脈衝星，就能夠求解本地時間的相位整周模糊度。也就是說，每顆脈衝的周期就代表不同時間尺度的測量值，如一秒鐘、一分鐘、一小時和一天等。通過導航參數預報器實時獲取太空飛行器軌道參數，就可以採用這種方法來自主測定太空飛行器本地時間。
關鍵技術
利用X射線脈衝星的太空飛行器自主導航涉及諸多關鍵技術，主要包括：X射線脈衝星導航資料庫技術；大尺度時空基準的建立與維持技術；脈衝到達時間轉換模型技術；X射線脈衝星探測器技術；星載時鐘的時間保持技術；以及自主導航算法與容錯處理技術等。
X射線脈衝星導航資料庫技術
通過長期累積的巡天觀測數據的分析和處理，獲取脈衝星的基本物理特徵、高信噪比的脈衝輪廓、高精度的計時模型、脈衝星角位置、以及優選導航脈衝星等，並編目和建立脈衝星導航資料庫，這屬於X射線脈衝星導航的基礎性研究工作。脈衝輪廓是識別脈衝星的惟一標識符，標準脈衝輪廓模板是通過長期觀測數據處理，大量脈衝周期摺疊和同步平均而得到的，具有極高的信噪比。脈衝星的基本物理特徵參數可以從脈衝輪廓模板直接提取。導航脈衝星的優選準則分為定性和定量兩個方面。品質因子是定量評價和標定脈衝星X射線信號源質量的重要指標。綜合考慮脈衝星物理特性、空間環境和探測器對脈衝到達時間測量精度的影響，可以得到以脈衝周期和信噪比表示的品質因子。因此，X射線脈衝星導航資料庫技術涉及脈衝星基本物理特徵、脈衝星慣性角位置測定技術、導航脈衝星優選方法、計時觀測與數據處理技術、脈衝星編目內容及方法等。
大尺度時空基準的建立與維持技術
脈衝星距離太陽系十分遙遠，達到幾萬光年以上。X射線脈衝星導航涉及到太空飛行器、地球及其空間環境、太陽系、銀河系以及河外X射線源等的相互關係，因而X射線脈衝星導航的時空基準屬於大尺度時空基準。在太陽系質心坐標系中所受到的慣性力與來自銀河系中除太陽以外的其它恆星引力互相抵消，因此太陽系質心坐標系是典型的準慣性坐標系，能夠精確表達三維位置坐標和第四維時間坐標，可以作為X射線脈衝星導航的時空基準。在實際工程套用中，還會涉及太陽質心坐標系、地心慣性坐標系、地心固聯坐標系、太空飛行器本體坐標系和探測器測量坐標系與太陽系質心坐標系之間的相互轉換問題。時空基準維持與太陽系行星周期運動直接相關。坐標轉換維持參數包括坐標平移、坐標旋轉、尺度因子和時間偏差，以及地球章動、歲差、極移和非均勻自轉參數等。對於利用X射線脈衝星進行相對導航來說，可以選擇存在於地球與月球和太陽之間的拉格朗日點作為脈衝信號監測、數據更新和信息轉發的基站，同樣涉及時空基準的維持問題。對於利用X射線脈衝星的太空飛行器自主導航系統，獲得一套基本理論和數據處理方法、一組自洽的模型算法和常數、以及一個可實現參考框架，均屬於時空基準建立和維持的研究內容。
脈衝到達時間轉換技術
脈衝到達時間（TOA）是指接近於脈衝信號積分時間中間時刻的脈衝輪廓基準點的記錄時間，是X射線脈衝導航的基本觀測量。TOA是以原子時作為參考時標，在太空飛行器本體坐標框架內測量得到的固有時，需要將其轉換到太陽系質心坐標系中，以便同脈衝星計時模型預報TOA進行比較，從而獲得太空飛行器至太陽系質心的時間延遲量，用於確定太空飛行器軌道和時鐘參數。因此，需要深入研究X射線脈衝星導航的基本誤差來源、時間基準系統、相對論效應、以及脈衝到達時間測量等，建立高精度脈衝到達時間轉換的工程化模型。
X射線脈衝星探測器技術
X射線探測器是通過測量入射光子與探測器碰撞釋放的能量，而達到探測X射線光子數量的目的，二維陣列探測器可以精確測定光子在格線平面上的位置，進而提取脈衝星影像和角位置信息。X射線探測器主要包括三個部分：入射預處理、探測器主體和信號處理。X射線探測器主要利用了X射線高能光子的光電效應和熱敏效應特性。要求星載探測器具有靈敏度高、體積小、重量輕、長壽命和高可靠性等性能特徵，脈衝到達時間測量精度達到微秒，甚至亞微秒量級。探測器系統主要包括準直儀、成像儀、光子計數器、驅動電路、數據採集電路、以及實測信號和數據處理設備等。研製適合於太空飛行器自主導航的高靈敏度、小型化的X射線探測器系統，是X射線脈衝星導航的核心任務。
星載時鐘的時間保持技術
星載原子時鐘組用於記錄X射線脈衝星單個光子的到達時間，因此原子時鐘組的時間保持和無縫切換，包括原子時鐘的比相技術、相位偏移和數字合成技術，以及利用脈衝星信號對星載原子時鐘環路進行校正等方面的研究。從X射線光子計數器提取脈衝星信號和相位信息，經星載時鐘測量相位預處理器，獲得脈衝星相位測量和頻率輸出，經鑒相器和環路濾波器，利用濾波器輸出相位控制數控振盪器（NCO），從而調節時鐘基本頻率，滿足鎖相環路控制門限要求，達到時鐘校正和保持星上時間系統的目的。
自主導航算法與容錯處理技術
X射線脈衝星導航算法研究包括兩個方面的內容：一是利用X射線脈衝星的導航衛星軌道確定和時間同步算法研究；二是利用X射線脈衝星的導航衛星姿態測量算法研究。前者以脈衝到達時間為基本觀測量，並進行脈衝到達時間按轉換改正和時間對比，通過星載Kalman濾波器處理，估算太空飛行器的位置、速度和時間等導航參數。後者以X射線脈衝星影像信息為基本觀測量，即提取脈衝星在星體坐標系中的角位置參量，可以進行與太陽系質心坐標系之間的旋轉變換，提取坐標的歐拉角信息，或利用姿態四元數方法進行濾波估計，最終獲得衛星的俯仰、滾動和偏航等姿態信息。具體研究內容包括：系統測量數學模型；高精度軌道力學模型；時鐘系統狀態模型；測量噪聲和過程噪聲方差確定方法；成像儀姿態測量和掃描姿態測量模式；姿態測量和系統狀態模型；自主導航濾波算法等。
在實際工程套用中，為了保持到導航系統信息的連續性，增強系統的可靠性，並提高導航系統精度，加入慣性導航系統（INS）輔助X射線脈衝星進行衛星自主導航。導航衛星自主進行導航信息處理，可能出現測量數據錯誤、濾波器發散和設備故障等問題，因而要求導航信息處理濾波算法具有良好的容錯性能，能夠進行實時故障檢測、隔離與系統重構，以確保導航信息的可靠性和完好性。對脈衝星導航試驗系統來說，其容錯處理軟體置於數學仿真平台上，通過人為加入干擾信號或錯誤數據，並調用相應的容錯軟體進行處理，以驗證自主導航容錯算法的可行性和可靠性。
技術特徵
X射線脈衝星導航是實現太空飛行器長時間高精度自主導航的可行途徑，具有傳統導航技術無法比擬的性能優勢，其技術特徵如下：
（1）全信息——X射線脈衝星導航能夠為太空飛行器提供10維導航信息，包括3維位置、3維速度、3維姿態和1維時間。傳統的導航技術手段只能提供部分導航信息，如衛星導航能提供位置、速度和時間信息；慣性導航系統僅能提供姿態信息；傳統天文導航系統只能提供姿態和位置信息。
（2）全空域——X射線脈衝星導航適用於整個太陽系，從近地軌道、深空至星際飛行的無縫導航。脈衝星輻射的X射線信號可在大氣層外的整個太陽系空間被探測到，針對各類航天飛行任務需求，可以選擇不同導航參考點，對導航算法進行適應性修改，以滿足太空飛行器自主導航套用需求。
（3）長時間——X射線脈衝星導航是以太陽系質心作為時空基準點，是在絕對參考框架下為太空飛行器（導航星座）提供導航信息服務，解決導航星座整體旋轉問題，實現星座長時間自主運行。
（4）高精度——X射線脈衝星導航最終精度能夠達到：定軌精度10米、時間同步精度1納秒和姿態測量精度3角秒，這是傳統天文導航技術難以比擬的。
（5）自主性——脈衝星輻射的X射線信號是一種天然信標，因此X射線脈衝星導航具有信息完備性、實時操作性、不發信號、不依賴地面站和長時間運行等自主導航特徵，是真正意義上的太空飛行器自主導航的有效途徑。
套用前景
X射線脈衝星能夠為近地軌道、深空和星際空間飛行的太空飛行器提供位置、速度、時間和姿態等豐富的導航信息，從而實現太空飛行器長時間高精度自主導航與精密控制，具有廣闊的工程套用前景。同時，開展X射線脈衝星導航與探測技術研究，將直接促進X射線天體物理學等科學研究領域的發展。
（1） 導航衛星自主導航套用領域
以GPS為代表的現代衛星導航系統能夠為地球表面和近地空間用戶提供全天候、全天時、高精度導航信息服務，已成為重要的空間基礎設施，廣泛套用於國民經濟的各個領域，日益成為人們工作和生活所必需的一部分。然而，導航星座本身需要地面控制系統不斷注入信息支持，不能脫離地面信息而獨立運行。如果導航星座能夠實現自主導航，那么將有效地減輕地面測控系統的工作負擔，減少測控站的布設數量和地面站至衛星的信息注入次數，降低衛星導航系統建設和長期運行維持費用，並實時監測導航信息完好性，減少導航星座對地面控制系統的依賴，從而增強了系統的自主生存能力。基於星間鏈路信息的導航星座自主導航（如GPS系統），不能修正星座整體旋轉誤差、地球自轉非均勻誤差和極移殘差，誤差隨時間不斷累積，致使星座難於長時間自主運行。
基於X射線脈衝星的導航衛星自主導航，是以脈衝星輻射的X射線信號作為外部信息基準，經過相應的信號和數據處理，導航衛星能夠高精度地進行軌道確定、時間同步和姿態測量，自主生成導航電文和控制指令，維持星座基本構形，不存在星座整體旋轉誤差累積問題，實現星座長時間自主運行。因而，X射線脈衝星為導航衛星自主導航提供了一種全新思路和實現途徑。
圖7 基於X射線脈衝星導航星座自主導航
圖7 基於X射線脈衝星導航星座自主導航導航衛星自主導航是實現低軌道太空飛行器高精度自主導航的基礎和前提，減少低軌道太空飛行器的管理和維持費用，符合太空飛行器高精度無縫導航發展和套用需求。因此，深入開展X射線脈衝星自主導航技術研究，實現導航衛星長時間自主導航，必將對國民經濟和社會發展起著積極推動作用。
（2） 深空探測與星際飛行任務領域
對於深空探測和星際飛行任務，現代衛星導航系統無能為力。在地面建立的深空探測網，其測控信號強度隨距離衰減，測量距離每增加一個天文單位（1AU），測距誤差增大4千米；採用傳統天文導航方式，導航精度較低、技術實現難度大，不能滿足深空探測及星際飛行太空飛行器無縫導航與精密控制要求。傳統導航方式及其組合模式均難以滿足深空探測與星際飛行自主導航與精密控制要求。
對於深空探測和星際飛行任務，X射線脈衝星導航與GPS系統和地基深空網相比具有其優越性。X射線脈衝星導航可以在整個太陽系內通過測量來自脈衝星輻射的X射線光子到達時間，確定相對於太陽系質心的位置與速度，是在大尺度時空基準下實現的自主導航技術。如果脈衝星的慣性角位置精度達到0.1毫角秒，且脈衝星計時模型精度、時間轉換模型精度和脈衝到達時間測量精度均能夠達到100納秒，那么太空飛行器軌道確定和授時精度就可以分別達到10米和1納秒；同時，姿態測量精度也能達到角秒量級，能夠滿足深空探測和星際飛行器無縫導航與精密控制需求。
圖8 無稠密大氣行星表面巡遊器
圖8 無稠密大氣行星表面巡遊器我國月球探測工程提出了“繞、落、回”三步走的發展戰略。2007年10月，我國成功發射“嫦娥一號”衛星，實現了繞月飛行；2010年10月，成功發射“嫦娥二號”衛星，實現了對月球表面的高解析度立體成像，併到達日地第二拉格朗日點（L2）進行科學探測。作為深空探測任務的第一步，這具有十分重要的科學意義，火星探測計畫是拓展深空探測的必然方向。深空探測和星際飛行任務的迅速發展對地基測控系統和傳統測控方式提出了嚴重挑戰。為此，利用來自脈衝星輻射的X射線信號為太空飛行器進行持續高精度自主導航，就顯得尤為重要。
（3）空間科學研究領域
X射線探測一直是天體物理學和空間高能物理學領域的研究範疇，因此開展X射線脈衝星導航與探測技術研究，其研究成果不僅用於太空飛行器自主導航領域，而且直接促進現代天文學、空間物理學和天體測量學等學科領域的發展，有利於學科交融和交叉領域研究，更好地開發利用脈衝星信息資源，進一步提升我國在基礎理論、前沿性和探索性研究領域的水平。
發展歷程
1974年，美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室（JPL）的G.S.Downs博士首次提出基於射電脈衝星的行星際飛行太空飛行器自主軌道確定方法，概算定軌精度達到150千米。
1981年，美國通信系統研究所的T.J.Chester和S.A.Butman提出利用脈衝星輻射的X射線信號為太空飛行器導航的構想。
1993年，美國海軍研究實驗室（NRL）的K.S.Wood博士設計了“非常規恆星特徵（USA）”試驗，繼承傳統天文導航的“掩星法”觀測思路，提出利用X射線源測定太空飛行器軌道和姿態，以及利用X射線脈衝星進行時間保持的綜合方法。
2017年6月15日，中國首顆X射線空間天文衛星“慧眼”成功發射，衛星裡面其中一個項目就是探索利用X射線脈衝星進行太空飛行器自主導航的技術和原理並開展在軌實驗。
1996年，J.E.Hanson詳細討論了通過X射線天體源利用掩星法來確定太空飛行器姿態和時間的方法。
1999年，搭載USA試驗設備的美國空軍“先進研究與全球觀測衛星”（ARGOS）被發射進入高度840千米、傾角98度的太陽同步軌道，開展了基於掩星法的X射線高層大氣結構及導航試驗。由於USA試驗中X射線導航採用了傳統天文導航的掩星觀測方法，因此，ARGOS衛星軌道確定精度主要取決於高層大氣模型，只能達到幾千米水平。嚴格地說，USA試驗不屬於真正意義上的X射線脈衝星導航範疇。
2004年，美國Maryland大學的S.I.Sheikh博士基於現代衛星導航系統體制的思想，深入研究了脈衝星的基本物理特徵，提出建立脈衝星導航資料庫的思路，研究脈衝到達時間轉換模型，初步論證了基於X射線脈衝星的太空飛行器自主導航的理論可行性。
綜上所述，儘管40年前就提出了脈衝星導航的概念，但是基於現代衛星導航的時間測距思想，利用X射線脈衝星的太空飛行器自主導航理論研究也只經歷了10年的發展。X射線脈衝星導航技術屬於航天前沿技術研究領域，具有重要的戰略研究價值和廣闊的工程套用價值。
