泰伯網(wǎng)訊 9月16日，第六屆中國衛(wèi)星導航與位置服務年會暨首屆衛(wèi)星應用國際博覽會在深圳龍崗召開，本次會議以“超越衛(wèi)星導航 共享天地信息”為主題，由中國衛(wèi)星導航定位協(xié)會、中國遙感應用協(xié)會、中國衛(wèi)星全球服務聯(lián)盟合作主辦。

　　在本屆大會的高端論壇上，中國工程院院士魏子卿做了題為《X射線脈沖星導航》的主題報告。

　　以下為中國工程院院士魏子卿的主題演講(內(nèi)容未經(jīng)本人核實)：

　　脈沖星導航，準確說應該是X射線脈沖星，X射線原則就是在發(fā)射X射線脈沖星，怎么能發(fā)射X射線呢?就是用兩種機制，一種是旋轉(zhuǎn)供能的脈沖星，就是快速旋轉(zhuǎn)提供能量，第二種是把大質(zhì)量的恒星，吸積供能的毫秒脈沖星，這兩種X射線脈沖星。

　　脈沖星導航基本原理是毫秒脈沖星，非常快，脈沖星自轉(zhuǎn)頻率特別標準，現(xiàn)在毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)周期穩(wěn)定度。脈沖星導航什么意思呢?利用X射線脈沖星輻射的脈沖信號為空間飛行器進行空間導航(定位、測速、定時、定姿)，我們講的脈沖星導航是這個意思，可以達到全要素導航。

　　為什么叫做X射線脈沖星導航?脈沖星可以在射電、光學、紅外和X射線、Y射線波段產(chǎn)生輻射，有的脈沖星同時在射電和X射線都輻射信號。射電信號發(fā)射的信號可以穿越大氣層，可以在地面觀測到，但是需要用大口徑天線，這樣的大口徑天線不便空間應用，不適于空間導航。X射線輻射被大氣層吸收，所以只能在大氣層外看得到，現(xiàn)在X射線脈沖導航只能用在空中導航，而不適宜在地面導航。

　　脈沖星導航示意圖，最近的那個，接受三個脈沖星發(fā)射過來的信號就可以進行定位，這是一個示意圖。它的基本原理，要說起來跟X射線脈沖星原理差不多，脈沖到達時間，看這個圖，把三個衛(wèi)星從起點開始用三個不同的TOA，利用三個TOA就可以比較。脈沖星到達航天器和到達太陽系質(zhì)心，我們假設一個是航天器上觀測者，一個太陽系質(zhì)心的觀測者，到達這兩個地點的時間差，利用時間差。

　　我們用三種定位模式，絕對定位、相對定位、動力學輔助定位，絕對定位大家不太知道，再一個飛行器上接收四個脈沖星信號，相對定位是利用X射線源，動力學輔助定位，動力學模型要知道，利用這個動力學模型輔助。

　　脈沖星導航少不了這幾個東西，X射線探測器、飛行器、脈沖星歷表等等。說一下脈沖星星表，星表對脈沖星導航提供時空基準，脈沖星包括幾何參數(shù)(赤經(jīng)、赤緯、自行)和物理參數(shù)(頻率、流強)。脈沖星星表要通過脈沖星觀測才能得到，脈沖星參數(shù)變化比較快，拿自行來說，脈沖星自行比一般的自行要大，一秒就能自行好幾公里，脈沖星位置在變，脈沖星星表也在變，要進行觀測。脈沖星觀測包括地面射電觀測和空間X射線觀測這兩種手段。

　　地面觀測什么意思呢?地面觀測有一個前提，我剛才前面講到了，地面射電觀測包括單望遠鏡觀測和VLBI觀測。用單望遠鏡觀測觀測脈沖星，將脈沖星參數(shù)擬合于得到的TOA序列，用長期觀測數(shù)據(jù)，參數(shù)擬合精度很高。VLBI觀測，射電望遠鏡組網(wǎng)，采用相位參考和在射柬內(nèi)校準技術進行觀測，采用脈沖門相關和電離層校準等技術進行數(shù)據(jù)處理，可以得到脈沖星的角位置。地面射電觀測的優(yōu)點，便于長期觀測，可得到精確的參數(shù)值。缺點，僅有少數(shù)同時又X和射電輻射的脈沖星可以在地面觀測到。

　　剛才講的是地面觀測，空間觀測，空間X射線觀測，在空間飛行器上，安裝X射線探測器，并配備GNSS接收機。X涉縣探測器觀測脈沖星，觀測得到TOA，跟地面的道理一樣，有一定的辦法可以得到脈沖星的位置。角位置精度有望好于1mas，角位置屬于行星歷表的參考系?？臻gX射線觀測得有點，得到的參數(shù)能直接用于脈沖星導航，方法簡便，在平臺上安置單探測器或多探測器均可進行。缺點，不如地面觀測那樣方便能夠堅持長期進行。

　　脈沖星導航基本原理方框圖，包括啟動器、系統(tǒng)計算機、X射線原理表、軌道推算器、導航解改正程序。脈沖星導航基本原理，它的特點是這樣的，在大氣層外工作，獨立自主導航，無需地面跟蹤網(wǎng)之車，適于近地軌道、中高軌道、環(huán)月軌道、星際航行，導航不受外界干擾。

　　脈沖星導航的用途，概括起來有這么幾條，一是為衛(wèi)星導航系統(tǒng)(如GPS或北斗)和其它空間飛行器提供自主導航;二是為月球、火星探測以及其他深空探測、行星際航行提供空間導航，三是為空間和地面用戶提供時間參考，四是為導航衛(wèi)星提供時空基準，增強導航衛(wèi)星的自主導航能力，控制星座的整體旋轉(zhuǎn);五是為衛(wèi)星導航系統(tǒng)提供補充或備份手段。北斗或者GPS受干擾的時候就不好用了，但是這個就不會。

　　下面講關于國外的發(fā)展概括，國外的情況，我這里提供一些大致的情況。國外發(fā)展情況主要是這樣的，從1967年發(fā)現(xiàn)脈沖星，1981年提出來概念，一個比較里程碑式的就是在1999年做了試驗，2005年起到2010年前后XNAV，這是一個美國的工程，后面有兩個具體的，重點是這么幾件事情。

　　199年那時候美國當時海軍做了這么一個試驗，叫USA試驗，這是設備情況，探測器，下面是結(jié)果，大家可以看到，好的1公里多一點，快2公里。

　　XNAV計劃，從2000年一直到2008年，計劃的執(zhí)行過程。這個計劃的目的、目標是這樣的，當時提出來提供誤差小于30m，GPS自主導航能力，它是干什么用的?為國防部的空間飛行器提供自主導航，為軍用資產(chǎn)提供精密自主自然天體時間源，為空間飛行器提供姿態(tài)，剛才提的是30m，后來提出來30m太高了，按現(xiàn)在的技術達不到，當然這個過程我還是給大家講一下。為空間飛行器提供一個不用GPS、位置誤差小于30m SEP的自主導航能力，在太陽系任何位置。

　　有一個時間表，可以看到到2016年。執(zhí)行了1期，在1期執(zhí)行完以后，把這個載荷送到國際空間站上。

　　這是它的用途，我就不說了。優(yōu)點，創(chuàng)造一個宇宙時間尺度，優(yōu)點有穩(wěn)定性、自主性、宇宙性。在XNAV完了之后，又提出來X射線時間系統(tǒng)，提供一個時間尺度，脈沖星時，還有脈沖星導航的定位。把XTIM描述了一下，用X射線脈沖星為空間資產(chǎn)自主定時和定位的系統(tǒng)，并將這些信息廣播給地面和空間用戶，供導航和定時之用。

　　XTIM計劃表，2010年干什么，2011年干什么。儀器關鍵設計評審是在2012年的時候。XTIM的應用，主要是用來干什么呢?為用戶提供精確的時間、支持安全通信、驗證新的終技術、加強觀測技術，應用非常廣。

　　這是它的定姿情況，這是2010年的情況，2011年的情況。2011年，NASA啟動了SEXTANT項目，2017年6月，已經(jīng)發(fā)射到ISS，SEXTANT是NICER項目上增加的一項技術演示驗證項目，X射線毫秒脈沖星觀測兩周有效時間。

　　這個項目將在空間站上進行驗證，現(xiàn)在處于研發(fā)階段。X射線相應的情況，這都有詳細的數(shù)據(jù)。國外發(fā)展情況，詳細情況沒有，支離破碎，目前來講它有這么一個情況，它現(xiàn)在在試驗階段，2015年6月發(fā)布了NASA空間發(fā)展規(guī)劃，提出來“革命性概念”這個概念，這個概念是什么意思呢?主要針對一些最前沿的技術想法，這些想法現(xiàn)在不夠成熟，但是很有希望，也很有風險，這個值得研究，可能研究成功了，也可能不成功，要發(fā)展這種“革命性概念”，前幾年就處于這種情況。

　　長期目標、短期目標這里都有，短期目標是利用毫秒脈沖星進行自主導航，長期目標是在軌自主導航，目前狀態(tài)是利用GPS和DSN網(wǎng)絡的射頻系統(tǒng)，到2025年對火星探測。

　　這是德國的情況，德國開了一個會議。俄羅斯、意大利這些，它們是在研究階段，俄羅斯在空間站上做了試驗，幾何面積達到1平方米。裝了兩種探測器，微通道板探測器和聚焦型探測器。試驗目的，上天實測兩種不同類型探測器性能，同時利用探測器研究宇宙背景噪聲。探測蟹狀星云脈沖星，解決探測器看得見脈沖星的問題。探測3顆低流量脈沖星。小型探測器，達到小平面，把它聚焦。

　　SDD探測器流量情況大概是這樣，聚焦型SDD探測器數(shù)據(jù)處理周期搜索值。聚焦型SDD探測器的Crab能譜表。

　　我簡單總結(jié)，X射線脈沖星導航是一種基于自然天體的導航技術，其特點是自主、安全、適用于多種軌道，能夠提供時間、位置、速度和姿態(tài)全要素導航，可用于為飛行器自主導航和深空導航。

　　本世紀初以來，國外脈沖星導航研究進展很快。2005年美國DARPA開始執(zhí)行XNAV計劃，2010年又提出XTIM計劃，目標是建立一個不依賴GPS的空間定位和時間系統(tǒng)，供國防部和民間用戶使用。這兩個計劃都在進行中。而我國目前已經(jīng)發(fā)射了XNAVP-01星，進行了初步空間試驗。