航天器自主导航技术简介

自从20世纪50年代苏联发射第一颗人造地球卫星至今，航天技术经历了从试验到应用，航天器结构从大型到微小型化发展，航天器从单星飞行到多星编队飞行，航天器控制技术也从地面站支持向自主导航全面发展。

目前，航天器尚未实现自主导航，需要地面站发送指令和接收卫星下传的数据。但由于受地理条件的限制，地面测控系统无法实现整个轨道的导航。完全依靠地面站监控，会导致地面站负荷过重，而且地面站容易受到攻击。测控信号强度随距离的增加而衰减，会导致地面站测距误差增大、导航精度降低且通信延迟巨大。另外，通信信号还可能被太阳及其他天体遮挡，降低了地面测控站对于突发事件的应对能力。传统依靠地面站导航技术已经不能满足目前航天器高精度和实时性的要求，卫星导航技术正在向半自主、自主性导航方向全面发展。

航天器自主导航是指在不依赖地面支持的情况下，利用卫星自带的测量敏感器实现自身轨道等信息的实时确定［1］。自主导航不仅能有效降低对地面检测系统的依赖，进一步降低维护成本，而且还能有效提高自身生存能力，获得高精度的相对状态信息。实现卫星自主导航已成为导航卫星发展的重要方向，它对提高卫星性能、扩展空间应用等都具有重要意义。

从20世纪90年代开始，国内外学者对航天器自主导航技术进行了大量的研究，可应用于自主导航方式主要有卫星导航、惯性导航、天文导航等［2-4］。目前，在低轨卫星编队导航中，基于GPS系统的导航技术应用最为广泛。其基本原理是在每颗卫星上安装星载GPS接收机，用于接收不少于4颗GPS卫星的导航信号以获得卫星的位置信息。GPS导航系统通常采用码测量和载波相位测量两种方式。码测量是观测信号的传播时间，该方法简单可行，但测量精度较低；而载波相位测量是给出接收到的载波相位与接收机本地产生的信号之间的相位差，该方法测量精度高，但处理过程复杂。GPS测量技术较为成熟，能提供卫星状态的相对测量信息。

惯性导航是利用加速度计、陀螺仪等惯性敏感器件测量载体运动中的加速度或角速度，通过积分获得载体的速度、位置和姿态信息。它是一种自主导航方法，不受无线电波的干扰，保密性好，无可见性约束，导航适用范围广。

天文导航是利用卫星所携带的星敏感器对星体，如太阳、地球以及其他恒星和行星等的固有运动规律所提供的信息，进行观测来确定卫星的轨道参数。星光敏感地平导航是最常用的天文导航方式，它利用星敏感器瞄准导航用的恒星，在惯性坐标系中，实时测量星光与地平之间的仰角，结合滤波算法和轨道动力学方程估计卫星的状态（位置和速度等）信息。(www.xing528.com)

以上方法在实际应用过程中都存在着一定的不足，其中GPS测量法技术最为成熟，但严重依赖于地面控制且容易受到人为干扰甚至破坏。在高轨道以及深空环境中，可视GPS卫星逐渐减少，卫星导航系统不能完全自主，所支持的空间也只局限在近地轨道。惯性导航存在误差随时间迅速增长的问题，单独的惯性导航系统很难用于编队卫星导航中。天文导航是一种传统的自主导航方法，它的优越性在于不需与外界进行任何信息交换，是一种完全自主的导航方法。可以同时提供位置、速度和姿态信息，仅需利用星上现有的姿态敏感部件如星敏感器、地平敏感器等，无须额外增加其他硬件设备。缺点是传统天文导航精度受大气折射模型误差的影响较大，又由于光折射对敏感器测量精度要求较高，所以难以满足高精度导航的需求。因此，如何在现有的技术基础上探索一种新方法，为航天器自主导航系统提供有力补充就显得非常重要。

卫星编队飞行是航天器飞行的发展趋势，所谓卫星编队是指由两颗或多颗近距离卫星组成，通过传感测量装置或通信设备与相邻卫星实现通信，并进行协同控制，确保编队卫星整体保持相对姿态和一定的队形，高效完成侦察、通讯和导航等任务［5-7］。为了有效利用每颗卫星的信息，卫星间必须建立兼具通信和测距的可靠的星间链路。编队卫星自主导航是指通过星间链路进行双向测距，利用星载滤波算法（如卡尔曼滤波器等）实时估计卫星状态信息和时钟的误差［8］，提供高精度的自主导航数据，它是卫星编队飞行的关键技术之一。编队卫星自主导航按星间测量手段分为GPS、类GPS［9］、无线电测量［10-11］、微波雷达测量［12］、激光雷达测量［13］、视觉图像导航［14-15］和X射线脉冲星自主导航等。

基于GPS系统的编队卫星导航技术属于半自主导航，通常采用码测量和载波相位测量两种方式。码测量方法简单易行，但测量精度较低。载波相位测量处理过程复杂，且需要更多的计算资源，优点是测量精度高。对于低轨和中低轨编队，星间相对定位以GPS为主，而对于高轨编队卫星，采用无线电、激光等测量手段获取星间相对状态。激光测量精度高，抗干扰能力强，但波束窄，不能同时实现多个目标的测量。无线电由于波束宽，作用距离远，实现全体覆盖需要多组发射和接收天线。编队卫星通常采用无线电和激光组合测量设备，它利用无线电波束的全覆盖特性粗捕获目标，进而引导激光信号完成高精度的方位和距离测量。视觉导航系统具有完全自主性，在测量非合作目标方面有很大的应用前景，但其作用距离小，难以应用于远距离导航，只适用于近距离卫星编队飞行和交会对接等。

利用星间测距信息能够实现卫星相对位置的准确测量，但无法完成导航卫星在惯性参考系中的自主导航。若要实现自主导航，必须要引入绝对观测基准，X射线脉冲星导航技术恰能完美胜任。

X射线脉冲星导航（X-ray pulsar navigation，XNAV）是一种新颖的航天器自主导航技术，它利用安装在航天器上的X射线探测器对X射线脉冲星辐射的光子进行探测，进而测量光子到达时间并提取脉冲星信号的轮廓、相位等信息。它不需要知道航天器与脉冲星之间的距离，而是通过计算X射线脉冲星信号到达航天器和太阳系质心坐标系的时间差，从而得出航天器沿X射线脉冲星信号辐射方向相对于太阳系质心的位移，确定航天器的位置、速度、时间和姿态等导航信息。脉冲星是一种高速旋转中子星，它在旋转的过程中辐射出强烈的信号。因此，辐射的脉冲星信号周期非常稳定，被誉为自然界最稳定的时钟，可以作为高精度的时间基准。由于脉冲星距离太阳十分遥远，脉冲星的方向矢量在一年的空间时间尺度上，可认为是基本不变的，因此脉冲星的定向精度非常高。利用脉冲星的时间观测信息，一方面可以建立综合脉冲星时，用于维持航天器导航系统时间，另一方面可在校正星载原子钟钟差的同时实现航天器定位。利用脉冲星的方向矢量观测信息，可以为不同航天器提供绝对时间与空间基准。由此可见，使用天然信标X射线脉冲星作为导航源不收发信号、不依赖地面站，具有测距精度高、安全性好、信息完备和长时间运行等自主导航特征，X射线脉冲星能够实现近地空间、深空及星际飞行任务全过程、高精度的导航服务，是解决航天器自主导航问题的有效手段。