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摘 要：空间导航定位技术有着重要的科学应用价值和军事应用价值，在国内外引起了广泛的关注，几十年来业已取得了重要进展。其中，X射线脉冲星就是一种精度很高的惯性参考系。介绍了本文主要介绍了X射线脉冲星的基本情况、X射线脉冲星导航基本原理以及X射线脉冲星导航与其他导航系统的比较。
关键词：X射线；脉冲星；导航原理；研究
脉冲星是一种有超强电磁场、超高密度的高速旋转的中子星，它的自转周期极其稳定，长期稳定度甚至好于目前世界上最好的原子钟。而高精度的时间基准是一切导航定位系统的核心。正是脉冲星具有这种高度周期稳定性，让人们看到了利用它来精确定时和导航定位的巨大潜力。
一、X 射线脉冲星的基本情况
脉冲星是太阳系以外的遥远天体，它按照一定的频率发射稳定的脉冲信号，其长期稳定性优于地球上最稳定的原子钟。脉冲星可以提供绝好的空间参考基准和时间基准，是空间飞行器极好的天然导航信标。
与脉冲射电信号相比，X射线能量辐射相对较高，易于设备探测和信号处理，减少了弱信号积分时间，提高了脉冲到达时间测量分辨率。尤其是有利于设计小型化的探测设备，探测器有效面积可小于 1m2，使其装备航天器的应用成为一种可能。
利用X射线脉冲星进行导航可以在不同程度上克服现有导航系统存在的诸多不足。自上世纪 90 年代以来，人们便把目光投到 X射线脉冲星。X射线脉冲星的导航研究已成为当前空间导航领域的研究热点之一。
二、X 射线脉冲星导航的基本原理
X射线脉冲星导航的基本原理是，在空间航天器上测量脉冲星脉冲到达的时间（即相位），并将其作为基本观测量；利用建立在基准点（即太阳系质心）的时间模型，计算同一脉冲到达基准点的时间；在脉冲相位观测量与时间模型计算值之间组差，差分观测量反映了航天器与基准点在脉冲星视线方向的距离差，这就是航天器位置和脉冲星位置的函数；假定已知脉冲星位置，通过一定的导航算法，就可以获得观测时刻航天器相对基准点的位置坐标。
1、X射线脉冲星导航的五大技术支撑
X射线脉冲星导航依赖于以下五大技术支撑，分别是空间探测技术、脉冲星模型参数测定技术、导航算法、星上高精度守时技术、航天器控制平台技术等。其中空间探测技术主要包括 X射线成像仪、准直器、光子计数器和高速读出电路等；脉冲星模型参数测定技术主要包括射电、X射线观测数据处理及模型参数解算技术；导航算法主要包括优选 X射线源、相位模糊度搜索技术、航天器绝对定位、相对定位、动力学定轨等；星上高精度守时技术主要包括星载原子钟技术、脉冲星时建立及守时技术等；航天器控制平台技术包括星载计算机技术及空间多目标指向技术等。各部分的主要功能如下：
（1）空間探测技术
利用 X 射线成像仪等设备对观测脉冲星进行辨识，确定航天器姿态，辅助卫星平台控制 X射线探测器指向。接收 X射线源的脉冲信号，记录接收辐射的光子到达时间及其流量，叠加形成观测脉冲轮廓。将观测时间段内叠加的观测脉冲轮廓与标准脉冲轮廓进行比较，形成脉冲到达时间（相位）。
（2）脉冲星模型参数测定技术
形成包含脉冲星时间模型、脉冲轮廓、星表等特征参数的脉冲星数据库。脉冲星时间模型参考于某一基准点（通常为太阳系质心）。是脉冲信号到达基准点的相位标准模型，用作观测脉冲星到达时间的比较标准。脉冲星星表是包含脉冲星天球坐标（赤经和赤纬，或银经和银纬，有的还包括秒差距）的星表，它们为导航提供参考基准。脉冲轮廓用于辅助脉冲星辨识，形成脉冲到达时间（TOA）观测量。
（3）导航算法
导航算法是根据观测的脉冲到达时间（TOA），利用脉冲星的时间模型和星表等资源，为计算出导航结果（即时间、姿态、位置、速度）的一套数学模型和算法。
（4）星上高精度守时技术
为 X射线脉冲星导航系统提供精确时间基准，是获取高精度观测量的重要保障。
（5）航天器控制平台技术
用于实时结算航天器状态参数，并以此为依据控制航天器姿态及 X射线探测器指向。
2、X射线脉冲星导航定位的组成
X射线脉冲星导航定位包含参数精化及空间导航两部分。其中，参数精化利用射电观测数据来辅助 X射线巡天观测数据解算精化脉冲星数据库；空间导航部分主要是利用 X射线探测器获取脉冲到达时间，解算航天器位置、速度。具体计算步骤如下：
（1）首先根据脉冲星特性及空间几何结构，来选取适宜导航的X射线源作为观测对象。
（2）测量脉冲到达时间：接收X射线光子，叠加形成观测脉冲轮廓，输出脉冲到达时间。同时脉冲星具有较高的长期稳定性，利用时钟的锁相环路，修正本地时钟漂移。
（3）TOA修正及时间转换：对脉冲星模型数据库进行调用，利用航天器轨道预报值，对航天器测量 TOA进行各项延迟修正，并将其转换为在太阳系质心坐标系 TCB时间尺度下。
（4）组成差分观测量：由脉冲星时间模型预报脉冲到达基准点的相位。将脉冲相位观测量与时间模型预报值进行比对，从而得到差分观测量。
（5）搜索相位模糊度：鉴于脉冲相位观测量仅能给出相位不满一周的小数部分的情况，因此需要通过模糊度搜索获得各观测脉冲星的模糊度参数。
（6）航天器位置计算：利用单颗或者多颗脉冲星观测量，构造脉冲星的观测方程，采用绝对、相对或动力学定轨方法，解算航天器位置、速度和时间偏差。
（7）导航参数预报：利用导航定位偏差估计值来修正航天器近似位置、速度和时间等参数；分别采用轨道积分、拟合外推等方法预报航天器位置、速度等导航参数，从而输出到航天器平台控制系统，以达到自主进行轨道和姿态控制。
从 X射线脉冲星导航基本原理可以看出：适用于导航用的X 射线脉冲星，应该具有精确的脉冲星位置，以此作为 X射线脉冲星导航的空间基准；较高的 X射线辐射流量，从而便于探测器的小型化，并在较短的时间内形成高信噪比的观测脉冲轮廓；尖锐的脉冲形状、高信噪比的脉冲轮廓，从而便于脉冲星识别及形成具有较高精度的脉冲到达时间观测量；高精度的脉冲星时间模型，主要用于精确预报脉冲到达基准点的相位，形成相位单差观测量；较短的脉冲周期和较高长期稳定性，主要用于提高脉冲星进行高精度时间及位置测量的可用性，并降低脉冲星参数的误差及更替周期等。
三、X射线脉冲星导航与其他导航系统的比较
X射线脉冲星导航与 GPS、GLONASS 等其他导航系统相比，在系统构建上存在着一定的差异，主要表现在以下几个方面：
1、天线模式
在进行观测量组差计算时，GPS导航系统采用多天线、多接收机的模式进行观测。X射线脉冲星导航系统采用将观测脉冲到达时间与参考位置的时间模型计算值进行比对，从而确定探测器的位置。参考位置不设置探测器。
2、频率模式
GPS只能在1～2个频率上发播导航信号。由于每颗脉冲星都具有独立的特征，并且它们的脉冲周期差别较大，因此 X射线脉冲星导航需要处理不同频率的脉冲信号。
3、可用性及控制模式
GPS导航系统是由人来控制的，其信号强度仅仅能满足近地空间用户的需要。X射线脉冲星导航系统依靠的是自然天体，它提高了抗干扰能力，并且可以为整个银河系提供导航服务。
4、多频段观测
脉冲星辐射通常在多个波段存在，主要包括光学、射电、红外、X射线和γ射线波段。因此X射线脉冲星导航可以根据需要采用不同的硬软件设备在不同的频段进行观测。
5、距离及距离观测量
GPS、GLONASS等导航系统利用数据精确的时间标记出直接测量卫星到接收机天线的距离。由于脉冲星距离太阳系非常的远，其距离无法精确测量，而且脉冲信号不提供时间信息，因此其距离观测值无法直接得到。
关键词：X射线；脉冲星；导航原理；研究
脉冲星是一种有超强电磁场、超高密度的高速旋转的中子星，它的自转周期极其稳定，长期稳定度甚至好于目前世界上最好的原子钟。而高精度的时间基准是一切导航定位系统的核心。正是脉冲星具有这种高度周期稳定性，让人们看到了利用它来精确定时和导航定位的巨大潜力。
一、X 射线脉冲星的基本情况
脉冲星是太阳系以外的遥远天体，它按照一定的频率发射稳定的脉冲信号，其长期稳定性优于地球上最稳定的原子钟。脉冲星可以提供绝好的空间参考基准和时间基准，是空间飞行器极好的天然导航信标。
与脉冲射电信号相比，X射线能量辐射相对较高，易于设备探测和信号处理，减少了弱信号积分时间，提高了脉冲到达时间测量分辨率。尤其是有利于设计小型化的探测设备，探测器有效面积可小于 1m2，使其装备航天器的应用成为一种可能。
利用X射线脉冲星进行导航可以在不同程度上克服现有导航系统存在的诸多不足。自上世纪 90 年代以来，人们便把目光投到 X射线脉冲星。X射线脉冲星的导航研究已成为当前空间导航领域的研究热点之一。
二、X 射线脉冲星导航的基本原理
X射线脉冲星导航的基本原理是，在空间航天器上测量脉冲星脉冲到达的时间（即相位），并将其作为基本观测量；利用建立在基准点（即太阳系质心）的时间模型，计算同一脉冲到达基准点的时间；在脉冲相位观测量与时间模型计算值之间组差，差分观测量反映了航天器与基准点在脉冲星视线方向的距离差，这就是航天器位置和脉冲星位置的函数；假定已知脉冲星位置，通过一定的导航算法，就可以获得观测时刻航天器相对基准点的位置坐标。
1、X射线脉冲星导航的五大技术支撑
X射线脉冲星导航依赖于以下五大技术支撑，分别是空间探测技术、脉冲星模型参数测定技术、导航算法、星上高精度守时技术、航天器控制平台技术等。其中空间探测技术主要包括 X射线成像仪、准直器、光子计数器和高速读出电路等；脉冲星模型参数测定技术主要包括射电、X射线观测数据处理及模型参数解算技术；导航算法主要包括优选 X射线源、相位模糊度搜索技术、航天器绝对定位、相对定位、动力学定轨等；星上高精度守时技术主要包括星载原子钟技术、脉冲星时建立及守时技术等；航天器控制平台技术包括星载计算机技术及空间多目标指向技术等。各部分的主要功能如下：
（1）空間探测技术
利用 X 射线成像仪等设备对观测脉冲星进行辨识，确定航天器姿态，辅助卫星平台控制 X射线探测器指向。接收 X射线源的脉冲信号，记录接收辐射的光子到达时间及其流量，叠加形成观测脉冲轮廓。将观测时间段内叠加的观测脉冲轮廓与标准脉冲轮廓进行比较，形成脉冲到达时间（相位）。
（2）脉冲星模型参数测定技术
形成包含脉冲星时间模型、脉冲轮廓、星表等特征参数的脉冲星数据库。脉冲星时间模型参考于某一基准点（通常为太阳系质心）。是脉冲信号到达基准点的相位标准模型，用作观测脉冲星到达时间的比较标准。脉冲星星表是包含脉冲星天球坐标（赤经和赤纬，或银经和银纬，有的还包括秒差距）的星表，它们为导航提供参考基准。脉冲轮廓用于辅助脉冲星辨识，形成脉冲到达时间（TOA）观测量。
（3）导航算法
导航算法是根据观测的脉冲到达时间（TOA），利用脉冲星的时间模型和星表等资源，为计算出导航结果（即时间、姿态、位置、速度）的一套数学模型和算法。
（4）星上高精度守时技术
为 X射线脉冲星导航系统提供精确时间基准，是获取高精度观测量的重要保障。
（5）航天器控制平台技术
用于实时结算航天器状态参数，并以此为依据控制航天器姿态及 X射线探测器指向。
2、X射线脉冲星导航定位的组成
X射线脉冲星导航定位包含参数精化及空间导航两部分。其中，参数精化利用射电观测数据来辅助 X射线巡天观测数据解算精化脉冲星数据库；空间导航部分主要是利用 X射线探测器获取脉冲到达时间，解算航天器位置、速度。具体计算步骤如下：
（1）首先根据脉冲星特性及空间几何结构，来选取适宜导航的X射线源作为观测对象。
（2）测量脉冲到达时间：接收X射线光子，叠加形成观测脉冲轮廓，输出脉冲到达时间。同时脉冲星具有较高的长期稳定性，利用时钟的锁相环路，修正本地时钟漂移。
（3）TOA修正及时间转换：对脉冲星模型数据库进行调用，利用航天器轨道预报值，对航天器测量 TOA进行各项延迟修正，并将其转换为在太阳系质心坐标系 TCB时间尺度下。
（4）组成差分观测量：由脉冲星时间模型预报脉冲到达基准点的相位。将脉冲相位观测量与时间模型预报值进行比对，从而得到差分观测量。
（5）搜索相位模糊度：鉴于脉冲相位观测量仅能给出相位不满一周的小数部分的情况，因此需要通过模糊度搜索获得各观测脉冲星的模糊度参数。
（6）航天器位置计算：利用单颗或者多颗脉冲星观测量，构造脉冲星的观测方程，采用绝对、相对或动力学定轨方法，解算航天器位置、速度和时间偏差。
（7）导航参数预报：利用导航定位偏差估计值来修正航天器近似位置、速度和时间等参数；分别采用轨道积分、拟合外推等方法预报航天器位置、速度等导航参数，从而输出到航天器平台控制系统，以达到自主进行轨道和姿态控制。
从 X射线脉冲星导航基本原理可以看出：适用于导航用的X 射线脉冲星，应该具有精确的脉冲星位置，以此作为 X射线脉冲星导航的空间基准；较高的 X射线辐射流量，从而便于探测器的小型化，并在较短的时间内形成高信噪比的观测脉冲轮廓；尖锐的脉冲形状、高信噪比的脉冲轮廓，从而便于脉冲星识别及形成具有较高精度的脉冲到达时间观测量；高精度的脉冲星时间模型，主要用于精确预报脉冲到达基准点的相位，形成相位单差观测量；较短的脉冲周期和较高长期稳定性，主要用于提高脉冲星进行高精度时间及位置测量的可用性，并降低脉冲星参数的误差及更替周期等。
三、X射线脉冲星导航与其他导航系统的比较
X射线脉冲星导航与 GPS、GLONASS 等其他导航系统相比，在系统构建上存在着一定的差异，主要表现在以下几个方面：
1、天线模式
在进行观测量组差计算时，GPS导航系统采用多天线、多接收机的模式进行观测。X射线脉冲星导航系统采用将观测脉冲到达时间与参考位置的时间模型计算值进行比对，从而确定探测器的位置。参考位置不设置探测器。
2、频率模式
GPS只能在1～2个频率上发播导航信号。由于每颗脉冲星都具有独立的特征，并且它们的脉冲周期差别较大，因此 X射线脉冲星导航需要处理不同频率的脉冲信号。
3、可用性及控制模式
GPS导航系统是由人来控制的，其信号强度仅仅能满足近地空间用户的需要。X射线脉冲星导航系统依靠的是自然天体，它提高了抗干扰能力，并且可以为整个银河系提供导航服务。
4、多频段观测
脉冲星辐射通常在多个波段存在，主要包括光学、射电、红外、X射线和γ射线波段。因此X射线脉冲星导航可以根据需要采用不同的硬软件设备在不同的频段进行观测。
5、距离及距离观测量
GPS、GLONASS等导航系统利用数据精确的时间标记出直接测量卫星到接收机天线的距离。由于脉冲星距离太阳系非常的远，其距离无法精确测量，而且脉冲信号不提供时间信息，因此其距离观测值无法直接得到。