X射线脉冲星导航技术研究现状

X射线脉冲星导航是天文导航系统中的一种新方法。国内外学者对脉冲星导航开展了较为系统的研究，涉及X射线脉冲星观测、信号探测与处理、定姿、守时、定位等诸多方面，并取得了大量的研究成果，为X射线脉冲星导航奠定了理论基础。本书主要介绍X射线脉冲星在航天器定位、导航方面的研究进展。

20世纪70年代，基于脉冲星的自主导航思想最早被提出，在近半个世纪的时间内，国内外学者做了大量的研究，逐渐形成一套较为完整的导航方案。1974年，Downs最先提出利用射电脉冲星信号进行星际导航的想法［16］，但由于脉冲星射电频段辐射的信号非常微弱，要实现导航，需要在航天器上搭载大于25m口径的天线用于接收信号。此外，宇宙天体的辐射和背景辐射都分布于整个射电频段，不利于脉冲星信号的检测、提取和去噪。虽然该想法在工程中难于实现，但它的提出标志着脉冲星导航思想的初步形成。1981年，Chester和Butman提出利用X射线源为航天器导航的构想，X射线接收天线易于小型化，从而有效地减小了探测器口径的设计问题［17］。1993年，Wood博士提出利用X射线脉冲星进行航天器守时和轨道确定方法［18］。之后，Hanson详细讨论了利用X射线脉冲星来确定航天器位置、姿态、守时等问题，他提出利用X射线脉冲星作为稳定的时间频率源，采用锁相环有效抑制卫星钟差的漂移［19］。2004年，Sala阐述了X射线脉冲星的信号模型及导航原理，在此基础上还分析了该导航系统的工程可实现性［20］。为了提高GPS卫星的自主性，Woodfork把X射线脉冲星自主导航方法与卫星轨道确定结合起来，为GPS卫星自主导航提供了新的思路［21］。2004年到2006年间，Sheikh博士对脉冲星的基本物理特征进行了大量而深入的研究，并建立了脉冲星信号模型、脉冲到达时间转换模型及基于X射线脉冲星的航天器自主定轨的数学模型。仿真实验结果表明，X射线脉冲星对低轨卫星的定位精度可达到100m，至此，X射线脉冲星自主导航理论初步形成［22］。Sheikh还进一步讨论了广义相对论对X射线脉冲星导航的影响，并给出相应的误差补偿方法［23］。2008年，Graven讨论了各种误差源对脉冲星导航的影响，并展望了脉冲星导航在近地空间、星际飞行及深空探测等飞行任务中的应用前景［24］。Emadzadeh博士对脉冲星信号模型进行了深入分析，重点研究了脉冲星相对导航算法。他还提出将X射线脉冲星导航与惯性导航系统相结合，可以有效降低航天器钟差和加速度计偏差［25］。2013年，德国Becker教授指出脉冲星导航技术不仅可以用来增强卫星导航系统，而且还可以为深空探测器提供自主导航能力［26-27］。2014年，Anderson提出基于X射线脉冲星导航的脉冲相位跟踪方法，并对最大似然估计器和数字锁相环的跟踪算法进行了改进［28-29］。另外，还有不少文献对脉冲星导航在深空探测方面的应用进行讨论，如Sheikh研究了X射线脉冲星增强深空网（deep space network，DSN）实现不同类型深空探测任务导航方法［30］。

国内对X射线脉冲星导航研究始于2005年。目前，脉冲星导航已得到国内相关高校和科研单位的广泛重视，如哈尔滨工业大学、国防科技大学、清华大学、西安电子科技大学、北京控制工程研究所、西安光学精密机械研究所等。国内学者对脉冲星导航进行了深入研究，奠定了国内X射线脉冲星导航理论研究的坚实基础。下面将详细介绍X射线脉冲星在导航定位方面的研究进展。

在X射线脉冲星导航原理及系统构架方面，帅平介绍了X射线脉冲星导航研究的重要意义及进展现状，讨论了脉冲星导航系统的框架结构和脉冲星钟模型，分析了各种误差对导航精度的影响［31-32］。郑伟等建立了基于X射线脉冲星观测的多测量信息融合导航框架和卫星星座定向参数测定技术［33］。黄良伟等阐述了利用脉冲星进行卫星轨道确定的基本原理及方法，分析了脉冲星导航与航天器轨道动力学模型之间的关系，并给出观测信号的基本处理流程［34］。费保俊、孙维瑾等对X射线脉冲星导航中的相对论效应进行了深入研究，并修正了X射线脉冲星导航基本测量方程中的光线弯曲、引力时间延缓及多普勒频移等问题，在相对论框架下完成时空测量值的坐标转换，给出了高精度的X射线脉冲星导航测量方程，验证了X射线脉冲星导航在理论上的可行性［35-36］。

为了有效提高导航精度，通常采用X射线脉冲星相对定位法来消除或减小绝对定位中的大部分误差。兰盛昌等将不同卫星接收的脉冲星信号进行相关处理，从而获得编队卫星间的相对距离［37-38］。丰大军等提出一种X射线脉冲星的空间联合相对定位模式，编队主星接收X射线脉冲星辐射的脉冲信号，将到达时间等信息经星间链路转发给编队从星，再经过测量脉冲星信号间的传播时差，建立定位方程解算出星间相对位置［39］。

在脉冲星导航算法方面，熊凯等研究用于远距离航天器相对导航的多模型自适应估计算法，在此基础上进一步提出了基于脉冲星观测和星间链路的卫星星座自主导航策略［40-41］。金晶等应用非线性预测滤波算法实时估计航天器的轨道信息［42］。杨成伟等提出基于残差正交性的UKF容错滤波算法在脉冲星组合导航系统的应用中，能够对野值进行实时修正，避免了导航精度下降，提高系统的鲁棒性和工程实用价值［43］。尹海亮等研究了基于单探测器的X射线脉冲星导航滤波算法，并针对单脉冲星导航和轮流观测多脉冲星导航两种方案进行仿真，结果表明，与多探测器同时观测多脉冲星的传统算法相比，单探测器轮流观测多脉冲星的导航误差更小，可以实现长期自主导航［44］。宋佳凝等针对脉冲星导航过程中观测脉冲星的可见性问题，提出了一种基于信息质量的自适应滤波算法［45］。孟繁智针对传统最小二乘法无法求解星间观测矩阵存在列相关引起的秩亏现象，提出基于参数加权平差的联合测距和测速卫星自主定轨算法［46］。孙景荣等研究了X射线脉冲星自主导航中的中心差分卡尔曼滤波方法（DDF），获得了优于EKF的仿真结果［47］。

在对系统误差的分析补偿方面，李建勋提出一种脉冲星导航的迭代方法并给出其线性化表示形式，分析了参数误差和建模误差对定位精度的影响［48］。邓新坪等利用差分来抑制X射线脉冲星导航中时间测量与转换误差对导航精度的影响［49］。王奕迪等分析了行星星历误差对脉冲星观测模型的影响，提出基于历元差分的X射线脉冲星导航系统误差综合补偿方法［50］。刘劲等对脉冲星角位置误差进行建模，并采用扩展状态同步估计法来减小脉冲星角位置误差的影响［51］。(www.xing528.com)

为了提高航天器自主导航能力，很多学者将脉冲星导航与惯性导航或天文导航结合起来，采用组合滤波方法使各种导航技术的优势互补。刘劲等将脉冲星导航分别与天文导航系统（CNS）和多普勒导航系统进行组合，采用联邦滤波器融合各测量系统所提供的信息，从而提高导航定位精度［52］。Yan W.等提出了基于非线性动静态滤波器的XNAV/CNS组合导航的信息融合方法，大大提高了组合导航系统的信息利用率［53］。孙守明等设计了X射线脉冲星与惯性系统的三种组合方案，分别为简单组合、松耦合和紧耦合，提高了脉冲星导航方法的适用性［54-55］。梁晓朋等主要对基于星间链路和X射线脉冲星的卫星星座自主导航进行了研究，仿真证明两者融合的导航方法有效提高位置估计精度，为导航星座自主研究提供新的思路和实现途径［56］。张章等对基于北斗和脉冲星的卫星自主定轨方法进行了研究［57］。熊凯等提出基于“脉冲星+光学”的组合导航方法，将紫外导航敏感器测量信息引入脉冲星导航系统，该方法能够在航天器初始位置误差较大的情况下，显著改善TOA测定精度和导航系统性能［58］。杨成伟等利用脉冲星信号到达时间、角位置和紫外敏感器的方向矢量和姿态角，通过联邦扩展卡尔曼滤波器估计来组合导航系统状态［59］。

基于X射线脉冲星导航的应用研究绝大部分是在地球卫星轨道估计的背景下进行的，近年来，在深空探测、行星接近、航天器变轨等背景下也进行了初步探索。空间探测是X射线脉冲星导航应用的重要领域。

ZHOU Y.对基于X射线脉冲星的月球探测器自主导航系统进行了研究，在EKF滤波模型中引入自适应测量噪声尺度因子，提高导航系统的健壮性［60］。王祎针对月球远月面引力场数据不能直接测量的问题，提出一种基于双星编队的月球引力场自主确定方法［61］。魏二虎等将X射线脉冲星用于火星探测器的自主导航，研究了EKF/自适应EKF/鲁棒自适应EKF三种不同的实时自适应方法，比较三种滤波方法的精度［62-63］。杨成伟等提出一种利用X射线脉冲星的晕轨道自主导航和轨道维持方法［64］。武瑾媛等将扩维无迹卡尔曼滤波器用于抑制系统状态测量误差，针对编队火星探测器转移轨道的自主导航问题，提出X射线脉冲星的相对导航方法［65］。吴伟仁提出一种X射线脉冲星和小行星交互观测的转移轨道火星探测器自主导航方法，并详细分析了这两种测量信息的获取方式和条件［66］。褚永辉等利用星上光学敏感器获得火星陆标信息和X射线敏感器测量脉冲星信号，再进行滤波处理得到探测器位置，为火星环绕段自主导航提供一种新思路［67］。

随着X射线脉冲星导航算法研究的不断深入，X射线脉冲星地面导航仿真及半实物验证平台也进一步完善。由于X射线脉冲星能流密度低，信号难以穿透地球大气层，无法在地面利用X射线脉冲星信号进行导航研究，从而搭建地面仿真验证系统尤为重要。国防科技大学郑伟团队提出一种X射线脉冲星信号的地面物理模拟方法，并在此基础上设计了X射线脉冲星导航半实物仿真系统，该系统为国内研制的首套X射线脉冲星导航地面试验系统［68］。西安电子科技大学许录平、张华团队根据XNAV数学模型和原理，提出基于激光光量子探测的X射线脉冲星导航地面仿真系统方案［69］。中科院西安光机所赵宝升等人，设计并搭建了单模拟器、单探测器地面模拟实验系统，模拟源产生的信号能够反映实际脉冲星信号的辐射脉冲轮廓特征。相对于空间搭载实验，地面仿真验证系统具有成本低、周期短等优势［70-71］。

2007年，Sheikh最早提出利用X射线脉冲星确定编队飞行航天器相对位置的方法，该方法不需要选用周期稳定性很高的X射线脉冲星。针对编队卫星间相对导航的需要，兰盛昌设计了一种基于时差估计的编队卫星间相对距离测量模型，利用矢量子空间旋转不变性解算相对距离和将编队卫星接收到的同一脉冲星信号进行相关处理两种方法进行星间相对距离估计，实验结果表明在相同信噪比下，矢量观测时差估计法要优于自相关法，能有效获取编队卫星间的距离信息，提高系统的空间导航能力［72］。陈拯民提出在多航天器导航时采用相对式X射线脉冲星导航系统，既能减小系统对脉冲时间模型的依赖，消除钟差对导航精度的影响，又能同时保持较高的导航精度。同时还提出基于单X射线脉冲星和高精度的星间观测构成的组合导航方案，分析结果表明该组合系统是最适于航天器编队的完全自主的、高精度、低需求、易实现的导航方案［73-75］。Wu Falin使用信息互相关处理方法估计出X射线脉冲星信号到达时间差，并将其用于编队卫星相对导航［76］。Guo C.J.研究了编队飞行航天器空间状态确定问题，对X射线脉冲星相对导航中的累积轮廓相位估计方法进行了详细讨论［77］。刘利等提出基于X射线脉冲星观测和星间链路的导航卫星星座定向参数测定技术［78-79］，通过测量X射线脉冲星信号到达两颗卫星的时间差，获得卫星间的相对时延测量值，然后利用基线矢量在惯性参考系中的方位信息和星间测距信息构建观测方程，并采用合适的滤波算法估计出星座卫星的定向参数，抑制星座漂移，为解决导航星座整体旋转问题提供可行思路。