泰伯網(wǎng)訊 9月16日，第六屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航與位置服務(wù)年會(huì)暨首屆衛(wèi)星應(yīng)用國(guó)際博覽會(huì)在深圳龍崗召開(kāi)，本次會(huì)議以“超越衛(wèi)星導(dǎo)航 共享天地信息”為主題，由中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會(huì)、中國(guó)遙感應(yīng)用協(xié)會(huì)、中國(guó)衛(wèi)星全球服務(wù)聯(lián)盟合作主辦。

　　在本屆大會(huì)的高端論壇上，中國(guó)工程院院士魏子卿做了題為《X射線(xiàn)脈沖星導(dǎo)航》的主題報(bào)告。

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

　　脈沖星導(dǎo)航，準(zhǔn)確說(shuō)應(yīng)該是X射線(xiàn)脈沖星，X射線(xiàn)原則就是在發(fā)射X射線(xiàn)脈沖星，怎么能發(fā)射X射線(xiàn)呢?就是用兩種機(jī)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(xiàn)脈沖星。

　　脈沖星導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)周期穩(wěn)定度。脈沖星導(dǎo)航什么意思呢?利用X射線(xiàn)脈沖星輻射的脈沖信號(hào)為空間飛行器進(jìn)行空間導(dǎo)航(定位、測(cè)速、定時(shí)、定姿)，我們講的脈沖星導(dǎo)航是這個(gè)意思，可以達(dá)到全要素導(dǎo)航。

　　為什么叫做X射線(xiàn)脈沖星導(dǎo)航?脈沖星可以在射電、光學(xué)、紅外和X射線(xiàn)、Y射線(xiàn)波段產(chǎn)生輻射，有的脈沖星同時(shí)在射電和X射線(xiàn)都輻射信號(hào)。射電信號(hào)發(fā)射的信號(hào)可以穿越大氣層，可以在地面觀(guān)測(cè)到，但是需要用大口徑天線(xiàn)，這樣的大口徑天線(xiàn)不便空間應(yīng)用，不適于空間導(dǎo)航。X射線(xiàn)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(xiàn)脈沖導(dǎo)航只能用在空中導(dǎo)航，而不適宜在地面導(dǎo)航。

　　脈沖星導(dǎo)航示意圖，最近的那個(gè)，接受三個(gè)脈沖星發(fā)射過(guò)來(lái)的信號(hào)就可以進(jìn)行定位，這是一個(gè)示意圖。它的基本原理，要說(shuō)起來(lái)跟X射線(xiàn)脈沖星原理差不多，脈沖到達(dá)時(shí)間，看這個(gè)圖，把三個(gè)衛(wèi)星從起點(diǎn)開(kāi)始用三個(gè)不同的TOA，利用三個(gè)TOA就可以比較。脈沖星到達(dá)航天器和到達(dá)太陽(yáng)系質(zhì)心，我們假設(shè)一個(gè)是航天器上觀(guān)測(cè)者，一個(gè)太陽(yáng)系質(zhì)心的觀(guān)測(cè)者，到達(dá)這兩個(gè)地點(diǎn)的時(shí)間差，利用時(shí)間差。

　　我們用三種定位模式，絕對(duì)定位、相對(duì)定位、動(dòng)力學(xué)輔助定位，絕對(duì)定位大家不太知道，再一個(gè)飛行器上接收四個(gè)脈沖星信號(hào)，相對(duì)定位是利用X射線(xiàn)源，動(dòng)力學(xué)輔助定位，動(dòng)力學(xué)模型要知道，利用這個(gè)動(dòng)力學(xué)模型輔助。

　　脈沖星導(dǎo)航少不了這幾個(gè)東西，X射線(xiàn)探測(cè)器、飛行器、脈沖星歷表等等。說(shuō)一下脈沖星星表，星表對(duì)脈沖星導(dǎo)航提供時(shí)空基準(zhǔn)，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(qiáng))。脈沖星星表要通過(guò)脈沖星觀(guān)測(cè)才能得到，脈沖星參數(shù)變化比較快，拿自行來(lái)說(shuō)，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(jìn)行觀(guān)測(cè)。脈沖星觀(guān)測(cè)包括地面射電觀(guān)測(cè)和空間X射線(xiàn)觀(guān)測(cè)這兩種手段。

　　地面觀(guān)測(cè)什么意思呢?地面觀(guān)測(cè)有一個(gè)前提，我剛才前面講到了，地面射電觀(guān)測(cè)包括單望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)和VLBI觀(guān)測(cè)。用單望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)觀(guān)測(cè)脈沖星，將脈沖星參數(shù)擬合于得到的TOA序列，用長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，參數(shù)擬合精度很高。VLBI觀(guān)測(cè)，射電望遠(yuǎn)鏡組網(wǎng)，采用相位參考和在射柬內(nèi)校準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行觀(guān)測(cè)，采用脈沖門(mén)相關(guān)和電離層校準(zhǔn)等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得到脈沖星的角位置。地面射電觀(guān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，便于長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)，可得到精確的參數(shù)值。缺點(diǎn)，僅有少數(shù)同時(shí)又X和射電輻射的脈沖星可以在地面觀(guān)測(cè)到。

　　剛才講的是地面觀(guān)測(cè)，空間觀(guān)測(cè)，空間X射線(xiàn)觀(guān)測(cè)，在空間飛行器上，安裝X射線(xiàn)探測(cè)器，并配備GNSS接收機(jī)。X涉縣探測(cè)器觀(guān)測(cè)脈沖星，觀(guān)測(cè)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(xiàn)觀(guān)測(cè)得有點(diǎn)，得到的參數(shù)能直接用于脈沖星導(dǎo)航，方法簡(jiǎn)便，在平臺(tái)上安置單探測(cè)器或多探測(cè)器均可進(jìn)行。缺點(diǎn)，不如地面觀(guān)測(cè)那樣方便能夠堅(jiān)持長(zhǎng)期進(jìn)行。

　　脈沖星導(dǎo)航基本原理方框圖，包括啟動(dòng)器、系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、X射線(xiàn)原理表、軌道推算器、導(dǎo)航解改正程序。脈沖星導(dǎo)航基本原理，它的特點(diǎn)是這樣的，在大氣層外工作，獨(dú)立自主導(dǎo)航，無(wú)需地面跟蹤網(wǎng)之車(chē)，適于近地軌道、中高軌道、環(huán)月軌道、星際航行，導(dǎo)航不受外界干擾。

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

　　下面講關(guān)于國(guó)外的發(fā)展概括，國(guó)外的情況，我這里提供一些大致的情況。國(guó)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(lái)概念，一個(gè)比較里程碑式的就是在1999年做了試驗(yàn)，2005年起到2010年前后XNAV，這是一個(gè)美國(guó)的工程，后面有兩個(gè)具體的，重點(diǎn)是這么幾件事情。

　　199年那時(shí)候美國(guó)當(dāng)時(shí)海軍做了這么一個(gè)試驗(yàn)，叫USA試驗(yàn)，這是設(shè)備情況，探測(cè)器，下面是結(jié)果，大家可以看到，好的1公里多一點(diǎn)，快2公里。

　　XNAV計(jì)劃，從2000年一直到2008年，計(jì)劃的執(zhí)行過(guò)程。這個(gè)計(jì)劃的目的、目標(biāo)是這樣的，當(dāng)時(shí)提出來(lái)提供誤差小于30m，GPS自主導(dǎo)航能力，它是干什么用的?為國(guó)防部的空間飛行器提供自主導(dǎo)航，為軍用資產(chǎn)提供精密自主自然天體時(shí)間源，為空間飛行器提供姿態(tài)，剛才提的是30m，后來(lái)提出來(lái)30m太高了，按現(xiàn)在的技術(shù)達(dá)不到，當(dāng)然這個(gè)過(guò)程我還是給大家講一下。為空間飛行器提供一個(gè)不用GPS、位置誤差小于30m SEP的自主導(dǎo)航能力，在太陽(yáng)系任何位置。

　　有一個(gè)時(shí)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(gè)載荷送到國(guó)際空間站上。

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

　　XTIM計(jì)劃表，2010年干什么，2011年干什么。儀器關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審是在2012年的時(shí)候。XTIM的應(yīng)用，主要是用來(lái)干什么呢?為用戶(hù)提供精確的時(shí)間、支持安全通信、驗(yàn)證新的終技術(shù)、加強(qiáng)觀(guān)測(cè)技術(shù)，應(yīng)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(dòng)了SEXTANT項(xiàng)目，2017年6月，已經(jīng)發(fā)射到ISS，SEXTANT是NICER項(xiàng)目上增加的一項(xiàng)技術(shù)演示驗(yàn)證項(xiàng)目，X射線(xiàn)毫秒脈沖星觀(guān)測(cè)兩周有效時(shí)間。

　　這個(gè)項(xiàng)目將在空間站上進(jìn)行驗(yàn)證，現(xiàn)在處于研發(fā)階段。X射線(xiàn)相應(yīng)的情況，這都有詳細(xì)的數(shù)據(jù)。國(guó)外發(fā)展情況，詳細(xì)情況沒(méi)有，支離破碎，目前來(lái)講它有這么一個(gè)情況，它現(xiàn)在在試驗(yàn)階段，2015年6月發(fā)布了NASA空間發(fā)展規(guī)劃，提出來(lái)“革命性概念”這個(gè)概念，這個(gè)概念是什么意思呢?主要針對(duì)一些最前沿的技術(shù)想法，這些想法現(xiàn)在不夠成熟，但是很有希望，也很有風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)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(zhǎng)期目標(biāo)、短期目標(biāo)這里都有，短期目標(biāo)是利用毫秒脈沖星進(jìn)行自主導(dǎo)航，長(zhǎng)期目標(biāo)是在軌自主導(dǎo)航，目前狀態(tài)是利用GPS和DSN網(wǎng)絡(luò)的射頻系統(tǒng)，到2025年對(duì)火星探測(cè)。

　　這是德國(guó)的情況，德國(guó)開(kāi)了一個(gè)會(huì)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(yàn)，幾何面積達(dá)到1平方米。裝了兩種探測(cè)器，微通道板探測(cè)器和聚焦型探測(cè)器。試驗(yàn)?zāi)康模咸鞂?shí)測(cè)兩種不同類(lèi)型探測(cè)器性能，同時(shí)利用探測(cè)器研究宇宙背景噪聲。探測(cè)蟹狀星云脈沖星，解決探測(cè)器看得見(jiàn)脈沖星的問(wèn)題。探測(cè)3顆低流量脈沖星。小型探測(cè)器，達(dá)到小平面，把它聚焦。

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

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

　　本世紀(jì)初以來(lái)，國(guó)外脈沖星導(dǎo)航研究進(jìn)展很快。2005年美國(guó)DARPA開(kāi)始執(zhí)行XNAV計(jì)劃，2010年又提出XTIM計(jì)劃，目標(biāo)是建立一個(gè)不依賴(lài)GPS的空間定位和時(shí)間系統(tǒng)，供國(guó)防部和民間用戶(hù)使用。這兩個(gè)計(jì)劃都在進(jìn)行中。而我國(guó)目前已經(jīng)發(fā)射了XNAVP-01星，進(jìn)行了初步空間試驗(yàn)。