脈沖星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展概況及若干思考

張嘉驊

摘要：隨著科學(xué)視野的不斷擴大，當(dāng)今基于地基系統(tǒng)的GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)無法滿足深空探測飛行器導(dǎo)航定位的需要。新興的脈沖星導(dǎo)航技術(shù)可為深空探測飛行器進行導(dǎo)航定位。因此，將從當(dāng)今基于地基系統(tǒng)的GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)存在的問題，什么是脈沖星，脈沖星導(dǎo)航定位基本原理以及脈沖星導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀四個方面說明脈沖星導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展概況，并提出若干思考。

關(guān)鍵詞：脈沖星導(dǎo)航；x射線探測器；時空基準

中圖分類號：TB文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.28.089

自上世紀六十年代人們發(fā)現(xiàn)第一顆脈沖星“小綠人”以來，科學(xué)家們就開始探索能否根據(jù)脈沖星的特性將其應(yīng)用到導(dǎo)航定位領(lǐng)域。通過探測脈沖星信號提取信號特征并將其與已知脈沖星數(shù)據(jù)庫相匹配，進而精確判斷出探測到的是哪一顆脈沖星的輻射信號。這樣一來，我們可通過收集脈沖星信號并匹配脈沖星數(shù)據(jù)庫，可為某一目標提供其相對于若干脈沖星的相對位置，為其進行導(dǎo)航定位。

1當(dāng)今基于地基系統(tǒng)的GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)存在的問題

目前的GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)如美國的GPS、中國的北斗、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo，需依托地面上的監(jiān)控中心來為衛(wèi)星測姿，傳遞和處理衛(wèi)星導(dǎo)航信號，進而實現(xiàn)導(dǎo)航定位功能。為提高導(dǎo)航定位精度，我們需在衛(wèi)星信號傳播過程中進行設(shè)備延遲改正，鐘差改正，相對論效應(yīng)改正，地球自轉(zhuǎn)改正，地球引力改正，潮汐效應(yīng)改正，多路徑效應(yīng)改正等。我們還需解決如何快速精確地求解整周未知數(shù)。在衛(wèi)星信號傳播過程中上述各項改正研究，求解整周模糊度的研究目前仍存在一定的問題，直接阻滯了GNSS導(dǎo)航定位向高精度方向發(fā)展。目前GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)只能提供厘米級或分米級的成果，無法滿足對定位成果精度有較高要求的研究領(lǐng)域的需要，如地球動力學(xué)研究。GNSS導(dǎo)航定位技術(shù)基于地基系統(tǒng)，只能在地球及近太空領(lǐng)域范圍內(nèi)提供導(dǎo)航定位服務(wù)，無法為外太空以及太陽系以外的空間飛行器提供導(dǎo)航定位服務(wù)。

2什么是脈沖星

脈沖星來源于超新星，是暮年的恒星發(fā)生大爆炸后形成的殘骸在變成黑洞之前的存在狀態(tài)，屬于高速旋轉(zhuǎn)的強磁中子星。脈沖星的體積一般都很小，但密度巨大，1cm的脈沖星物資可重達十億噸。脈沖星具有強大的引力，以至于可將電子壓入原子核，進行形成中子。脈沖星自轉(zhuǎn)速度很快，脈沖星具有短且穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)周期，可作為時間基準且優(yōu)于目前世界上最好的原子鐘。每一顆脈沖星具有其特有的旋轉(zhuǎn)周期，脈沖星的旋轉(zhuǎn)周期平均每一百萬年變緩百分之三秒。脈沖星具有強磁場，高速自轉(zhuǎn)的脈沖星在強磁場中產(chǎn)生豐富的電能，沿著某一波束基線向外噴出高能粒子。脈沖星在高速自轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)噴發(fā)波束基線掃向某一輻射信號探測器時，探測器就能捕捉到脈沖星周期性輻射信號。

3脈沖星導(dǎo)航定位基本原理

脈沖星導(dǎo)航定位是指X射線脈沖星導(dǎo)航定位。通過探測X射線脈沖星脈沖信號，提取脈沖特性與已知脈沖星數(shù)據(jù)庫匹配，確定所探測到的X射線來源于哪顆脈沖星。我們根據(jù)X射線脈沖信號，解算出目標脈沖星到達探測器的時間，實際距離。探測脈沖星X射線需要用到X射線探測器。探測器基本原理是通過接收X射線與探測器表面碰撞，探測出碰撞總能量進而測定出接收到的X射線光子數(shù)量。通過光子計數(shù)器，輸出單光子信號信息與相位信息，進而測定脈沖星X射線到達X射線探測器的時間。在脈沖星導(dǎo)航中，需要解決的核心問題還是如何精確地求取脈沖星X射線到達X射線探測器的時間，X射線脈沖星至X射線探測器的位置矢量。

在GNSS導(dǎo)航定位中，根據(jù)偽距觀測基本方程：

Dji～（t）=Dji（t）+cδtji+δIji（t）+δTji（t）

其中Dji表示接收機與衛(wèi)星之間的幾何距離；cδtji表示接收機鐘與衛(wèi)星鐘鐘差的等效距離誤差；δIji（t）表示t時刻衛(wèi)星信號在電離層發(fā)生折射的等效距離誤差；δTji（t）表示t時刻衛(wèi)星信號在對流層發(fā)生折射的等效距離誤差。

載波相位基本觀測方程：

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

其中Nji（t0）為整周未知數(shù)。

從上述方程看出，GNSS導(dǎo)航定位必需解決衛(wèi)星信號穿越大氣層時所帶來的延遲改正誤差以及整周未知數(shù)快速求解問題。與GNSS導(dǎo)航定位相似，在脈沖星導(dǎo)航中，我們需解決如何精確地求解X射線光子信號到達探測器的時間，脈沖星至探測器的位置矢量。我們需要運用多顆脈沖星，通過空間后方交會，為深空探測飛行器進行導(dǎo)航定位。

4脈沖星導(dǎo)航發(fā)展現(xiàn)狀

美國NASA噴氣推進實驗室G.S.Downs博士于1974年首次提出利用射電脈沖星信號為星際航天器自主定軌的方法。1981年美國通信系統(tǒng)研究所的T.J.Chester和S.A.Butman提出利用射電脈沖星的X射線信號為航天器導(dǎo)航的構(gòu)想。1993年美國海軍實驗室K.S.Wood博士設(shè)計了“非常規(guī)恒星特征（USA）”試驗，提出利用X射線源為航天器測軌，定姿，測時的方法。1999年美國空軍發(fā)射ARGOS衛(wèi)星，進行USA導(dǎo)航試驗。本次實驗，衛(wèi)星定軌定軌精度為數(shù)千米。2004年美國Maryland大學(xué)的S.I.Sheikh博士通過深入研究脈沖星的基本物理特征，提出建立脈沖星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫的思路，對X射線脈沖星為航天器導(dǎo)航進行了初步論證。

2004年8月美國國防部預(yù)先研究計劃局提出X射線自主導(dǎo)航定位驗證（XNAV）計劃。該計劃最終將建立一個高精度脈沖星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)，為未來空間飛行器自主導(dǎo)航提供服務(wù)。

2016年中國建成500米口徑世界上最大的射電望遠鏡—FAST望遠鏡，該望遠鏡有望新發(fā)現(xiàn)超過6500顆脈沖星。2016年11月10日中國發(fā)射世界上首顆脈沖星導(dǎo)航實驗衛(wèi)星，未來5到10年，中國將探測26顆脈沖星，建立脈沖星數(shù)據(jù)庫。endprint

歐洲空間局、俄羅斯、德國、英國、西班牙、印度、日本和澳大利亞也已開展脈沖星導(dǎo)航研究。

幾點思考：

（1）脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的核心是怎樣設(shè)計性能穩(wěn)定，滿足精度要求的空間射線探測器，如何精確地獲取脈沖信號到達探測器的時間以及探測器至目標脈沖星的位置矢量；基于GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)處理導(dǎo)航信號的理論基礎(chǔ)，脈沖星導(dǎo)航的技術(shù)難點和重點還是在于解決射線探測器的問題。

（2）發(fā)展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)，首先要解決如何發(fā)現(xiàn)滿足導(dǎo)航定位要求的射電脈沖星，怎樣建立脈沖星數(shù)據(jù)庫問題?；谑澜绺餮芯繖C構(gòu)的射電望遠鏡，VLBI網(wǎng)，目前已發(fā)現(xiàn)2500多顆脈沖星，有關(guān)國家也已開展建立試驗性脈沖星數(shù)據(jù)庫研究。已發(fā)現(xiàn)的用于導(dǎo)航實驗的射電脈沖星的射電信號都比較微弱，如何利用探測器接收微弱的射電信號進而提取特性是需要解決的一個問題。與GNSS導(dǎo)航類似，在脈沖星導(dǎo)航領(lǐng)域我們也需要面臨“選星”問題。“選星”的目的在于兩點：脈沖信號選取和射電脈沖星空間幾何分布。

（3）發(fā)展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)，還需解決建立一個怎樣的時空基準問題。當(dāng)前有關(guān)國家正在建立一個以太陽系質(zhì)心為原點的時空基準，用于開展脈沖星導(dǎo)航試驗研究。隨著深空探測深度的不斷推進，我們需建立一個滿足深空探測深度要求的時空基準。

（4）發(fā)展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)并不是為了取代GNSS導(dǎo)航技術(shù)。發(fā)展脈沖星導(dǎo)航技術(shù)著重解決深空探測飛行器自主導(dǎo)航問題，也可為GNSS導(dǎo)航技術(shù)中衛(wèi)星信號在傳播過程的各種改正方法提供數(shù)據(jù)論證。脈沖星導(dǎo)航技術(shù)也建立在GNSS導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)之上。

5總結(jié)

脈沖星導(dǎo)航一直作為深空探測和導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)前沿，有關(guān)各國已開展相關(guān)技術(shù)研究。脈沖星導(dǎo)航技術(shù)在為深空探測飛行器提供導(dǎo)航定位服務(wù)，滿足深空探測技術(shù)需求的同時，和GNSS導(dǎo)航技術(shù)一起在涵蓋地球和深空探測深度范圍內(nèi)建立一體的時空基準，為航天器提供導(dǎo)航定位服務(wù)。

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