脉冲星导航技术发展概况及若干思考

张嘉骅

摘要：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。

关键词：脉冲星导航；x射线探测器；时空基准

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.28.089

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。脉冲星的体积一般都很小，但密度巨大，1cm的脉冲星物资可重达十亿吨。脉冲星具有强大的引力，以至于可将电子压入原子核，进行形成中子。脉冲星自转速度很快，脉冲星具有短且稳定的旋转周期，可作为时间基准且优于目前世界上最好的原子钟。每一颗脉冲星具有其特有的旋转周期，脉冲星的旋转周期平均每一百万年变缓百分之三秒。脉冲星具有强磁场，高速自转的脉冲星在强磁场中产生丰富的电能，沿着某一波束基线向外喷出高能粒子。脉冲星在高速自转过程中，当喷发波束基线扫向某一辐射信号探测器时，探测器就能捕捉到脉冲星周期性辐射信号。

3脉冲星导航定位基本原理

脉冲星导航定位是指X射线脉冲星导航定位。通过探测X射线脉冲星脉冲信号，提取脉冲特性与已知脉冲星数据库匹配，确定所探测到的X射线来源于哪颗脉冲星。我们根据X射线脉冲信号，解算出目标脉冲星到达探测器的时间，实际距离。探测脉冲星X射线需要用到X射线探测器。探测器基本原理是通过接收X射线与探测器表面碰撞，探测出碰撞总能量进而测定出接收到的X射线光子数量。通过光子计数器，输出单光子信号信息与相位信息，进而测定脉冲星X射线到达X射线探测器的时间。在脉冲星导航中，需要解决的核心问题还是如何精确地求取脉冲星X射线到达X射线探测器的时间，X射线脉冲星至X射线探测器的位置矢量。

在GNSS导航定位中，根据伪距观测基本方程：

Dji～（t）=Dji（t）+cδtji+δIji（t）+δTji（t）

其中Dji表示接收机与卫星之间的几何距离；cδtji表示接收机钟与卫星钟钟差的等效距离误差；δIji（t）表示t时刻卫星信号在电离层发生折射的等效距离误差；δTji（t）表示t时刻卫星信号在对流层发生折射的等效距离误差。

载波相位基本观测方程：

Dji～（t）=Dji（t）+cδtji+δIji（t）+δTji（t）-λNji（t0）

其中Nji（t0）为整周未知数。

从上述方程看出，GNSS导航定位必需解决卫星信号穿越大气层时所带来的延迟改正误差以及整周未知数快速求解问题。与GNSS导航定位相似，在脉冲星导航中，我们需解决如何精确地求解X射线光子信号到达探测器的时间，脉冲星至探测器的位置矢量。我们需要运用多颗脉冲星，通过空间后方交会，为深空探测飞行器进行导航定位。

4脉冲星导航发展现状

美国NASA喷气推进实验室G.S.Downs博士于1974年首次提出利用射电脉冲星信号为星际航天器自主定轨的方法。1981年美国通信系统研究所的T.J.Chester和S.A.Butman提出利用射电脉冲星的X射线信号为航天器导航的构想。1993年美国海军实验室K.S.Wood博士设计了“非常规恒星特征（USA）”试验，提出利用X射线源为航天器测轨，定姿，测时的方法。1999年美国空军发射ARGOS卫星，进行USA导航试验。本次实验，卫星定轨定轨精度为数千米。2004年美国Maryland大学的S.I.Sheikh博士通过深入研究脉冲星的基本物理特征，提出建立脉冲星导航数据库的思路，对X射线脉冲星为航天器导航进行了初步论证。

2004年8月美国国防部预先研究计划局提出X射线自主导航定位验证（XNAV）计划。该计划最终将建立一个高精度脉冲星导航网络，为未来空间飞行器自主导航提供服务。

2016年中国建成500米口径世界上最大的射电望远镜—FAST望远镜，该望远镜有望新发现超过6500颗脉冲星。2016年11月10日中国发射世界上首颗脉冲星导航实验卫星，未来5到10年，中国将探测26颗脉冲星，建立脉冲星数据库。endprint

歐洲空间局、俄罗斯、德国、英国、西班牙、印度、日本和澳大利亚也已开展脉冲星导航研究。

几点思考：

（1）脉冲星导航技术的核心是怎样设计性能稳定，满足精度要求的空间射线探测器，如何精确地获取脉冲信号到达探测器的时间以及探测器至目标脉冲星的位置矢量；基于GNSS卫星导航定位技术处理导航信号的理论基础，脉冲星导航的技术难点和重点还是在于解决射线探测器的问题。

（2）发展脉冲星导航技术，首先要解决如何发现满足导航定位要求的射电脉冲星，怎样建立脉冲星数据库问题。基于世界各研究机构的射电望远镜，VLBI网，目前已发现2500多颗脉冲星，有关国家也已开展建立试验性脉冲星数据库研究。已发现的用于导航实验的射电脉冲星的射电信号都比较微弱，如何利用探测器接收微弱的射电信号进而提取特性是需要解决的一个问题。与GNSS导航类似，在脉冲星导航领域我们也需要面临“选星”问题。“选星”的目的在于两点：脉冲信号选取和射电脉冲星空间几何分布。

（3）发展脉冲星导航技术，还需解决建立一个怎样的时空基准问题。当前有关国家正在建立一个以太阳系质心为原点的时空基准，用于开展脉冲星导航试验研究。随着深空探测深度的不断推进，我们需建立一个满足深空探测深度要求的时空基准。

（4）发展脉冲星导航技术并不是为了取代GNSS导航技术。发展脉冲星导航技术着重解决深空探测飞行器自主导航问题，也可为GNSS导航技术中卫星信号在传播过程的各种改正方法提供数据论证。脉冲星导航技术也建立在GNSS导航技术的基础之上。

5总结

脉冲星导航一直作为深空探测和导航技术领域的技术前沿，有关各国已开展相关技术研究。脉冲星导航技术在为深空探测飞行器提供导航定位服务，满足深空探测技术需求的同时，和GNSS导航技术一起在涵盖地球和深空探测深度范围内建立一体的时空基准，为航天器提供导航定位服务。

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