X 射線脈沖星導航空間試驗進展與展望

鄭偉，王禹淞，姜坤，王奕迪，*

1.國防科技大學 空天科學學院，長沙 410073

2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094

隨著航天技術的不斷進步，深空探測逐步成為航天活動的熱點之一，世界各國都制定了長遠的深空探測發展規劃［1-2］。目前，深空探測器的導航服務主要通過以美國深空網（Deep Space Networks，DSNs）為代表的地面測控 系統提供［3］。但是，該類導航方法的導航精度隨著深空探測器遠離地球而逐漸降低［3］。通常情況下，深空探測器每遠離地球一個天文單位，深空網的定位誤差約增大4 km［4］。在冥王星軌道上，深空網的定位誤差將增長到±200 km 左右［5］。此外，深空網提供導航服務的實時性較差（在冥王星軌道附近，信息往返地球的時間超過10 h），無法滿足交會飛越、下降著陸等任務階段對導航的實時性需求［1］。因此，自主導航能力對于降低深空探測器對地面測控系統的依賴和提高其自主生存能力具有重要意義。

目前，基于光學的自主導航系統已發展成熟并成功應用于各類深空探測任務［6-7］。然而，該類方法只有在深空探測器的接近段、環繞段和著陸段等接近天體的飛行階段有效［8-9］。因此，目前仍然沒有適用于深空探測器巡航段的自主導航方法［3］。

X 射線脈沖星導航（X-ray pulsar-based Navigation，XNAV）技術是一種有發展潛力的航天器自主導航技術。脈沖星是一種快速旋轉的中子星，是大質量恒星在其壽命末期的產物。脈沖星的自轉軸與磁軸不重合，其2 個磁極向外輻射電磁輻射束［10］。由于脈沖星的自轉，航天器會周期性地接收到來自脈沖星的電磁信號，就如同船只接收來自海岸燈塔的信號一樣。因此，脈沖星也被稱為“宇宙中的燈塔”［3］。此外，脈沖星均位于太陽系外，并且其位置可以提前測定，因此脈沖星導航可在太陽系內獲得一致的導航精度。相比于地面深空網，X 射線脈沖星導航可使深空探測器降低對地面測站的依賴，避免地基導航服務的巨大時延；相比于基于光學的自主導航方法，X 射線脈沖星導航在深空探測的巡航段、接近段和環繞段等多個飛行階段均可使用，適用范圍廣。因此，X 射線脈沖星導航為深空探測器自主導航，尤其是深空巡航段的自主導航提供了全新的思路。

X 射線脈沖星導航的概念最早提出于20 世紀80 年代［11］。經過幾十年的發展，X 射線脈沖星導航技術逐漸從理論研究轉向技術可行性試驗研究和針對未來工程應用的關鍵技術攻關。近些年，國內外已完成了多次X 射線脈沖星導航空間試驗，成功驗證了X 射線脈沖星導航的可行性，為該技術的進一步工程化應用積累了寶貴經驗。本文對國內外已開展的X 射線脈沖星導航空間試驗中所使用的信號處理與導航算法以及X射線探測終端進行綜述，總結了目前國內脈沖星導航空間試驗存在的不足。最后，結合國內外空間試驗的進展情況和未來工程應用的需求，對脈沖星導航空間試驗的未來發展進行了展望。

1 國內外脈沖星導航空間試驗概述

1.1 NICER 導航試驗

2017 年6 月，美國的中子星內部組成探測器（Neutron Star Internal Composition Explorer，NICER）被部署在國際空間站上［12］。NICER 是美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的天體物理項目，其核心任務是通過在軟X 射線（0.2～12 keV）波段的觀測研究中子星的內部組成、動力學過程、輻射機制等科學問題［12］。NICER 示意圖如圖1所示［13］。

圖1 NICER 示意圖［13］Fig.1 Schematic diagram of NICER［13］

除了核心科學任務之外，NICER 還有一項技術演示增強項目，名為SEXTANT（Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology）［14］。該項目是由NASA 戈達德空間飛行中心航天技術任務局游戲變更開發計劃辦公室資助的［12］，目標是通過2 周的脈沖星觀測，在軌、實時演示脈沖星導航技術，并且在任意方向上獲得優于10 km 的導航精度［12］。

在2017 年11 月10 日—15 日的空間試驗中，通過觀測PSR J0437-4715、PSR B1821-24、PSR J0030-0451 和PSR J0218-4232 共4 顆脈沖星，SEXTANT 系統在國際上首次實現了脈沖星導航的在軌試驗，取得了優于10 km 的導航精度［12，15］。SEXTANT 任務的成功，在脈沖星導航技術發展歷程中具有“里程碑”式的意義，標志著脈沖星導航技術已初步具備從理論研究走向實際工程應用的能力。SEXTANT 空間試驗結果如圖2 所示［15］，藍線為脈沖星導航的定位誤差RSS（Root Sum Square，各方向誤差平方和的平方根）、紅線為3σ線、紫線為無脈沖星觀測的定位誤差。

圖2 SEXTANT 空間試驗結果［15］Fig.2 Results from SEXTANT space experiment［15］

1.2 POLAR 導航試驗

2016 年9 月，中國的“天極望遠鏡”——伽瑪射線暴偏振探測器（POLAR）隨天宮二號（Tiangong-2，TG-2）空間實驗室發射升空［16］。該探測器由中國、瑞士、波蘭等合作研制，主要用于伽馬暴的偏振測量。圖3 展示了安裝在天宮二號上的POLAR 探測器［17］。

圖3 安裝在天宮二號上的POLAR［17］Fig.3 POLAR installed on TG-2［17］

2017 年，中國科學院高能物理研究所的研究團隊利用POLAR 在2017 年1 月4 日—2 月3 日共31 天的觀測時間段內對Crab 脈沖星（PSR B0531 +21）的觀測數據，開展了利用單顆脈沖星的定軌試驗，初步驗證了脈沖星導航的可行性［16］。圖4 為POLAR 空間試驗結果，圖中給出了χ2（卡方）統計量隨軌道參數偏移量的變化情況，藍色點為不同參數的計算結果，紅色線為最優值擬合結果［16］。

圖4 POLAR 空間試驗結果［16］Fig.4 Results from POLAR space experiment［16］

1.3 脈沖星導航試驗01 星

2016 年11 月，中國的脈沖星導航試驗01 星（X-ray Pulsar-based Navigation-1，XPNAV-1）發射成功并運行于太陽同步晨昏軌道［18］。XPNAV-1 的主要科學試驗任務為：①在空間環境下驗證時間分辨軟X 射線光譜儀（Timeresolved Soft X-ray Spectrometer，TSXS）和高時間分辨率光子計數器（High Time-resolution Photon Counter，HTPC）2 種探測終端的性能，研究宇宙背景噪聲及探測終端響應機制；②探測Crab 脈沖星或脈沖雙星，提取脈沖星輪廓，解決用國產X射線探測終端“看得見”脈沖星的問題；③長時間觀測脈沖星，驗證脈沖星導航體制［18-19］。圖5 展示了脈沖星導航試驗01 星［20］。

圖5 脈沖星導航試驗01 星［20］Fig.5 XPNAV-1［20］

XPNAV-1 在軌實現了對Crab 脈沖星以及PSR B1617-155、PSR B1758-250、PSR B1813-140、GRO J1744-28 等4 顆X 射線雙星的長期觀測，完成了預定的科學目標［18］。基于XPNAV-1的觀測數據，研究人員實現了Crab 脈沖星的精化計時模型構建、周期躍變監測以及初步的導航性能分析，為脈沖星導航技術發展和進一步的空間試驗積累了寶貴經驗［18-19，21］。圖6 給出了XPNAV-1 的脈沖星導航試驗結果，其中，上圖表示僅軌道外推時的位置誤差，中間的圖表示控制點的時間，下圖表示在控制點處進行軌道修正后的定位誤差［21］。

圖6 XPNAV-1 空間試驗結果［21］Fig.6 Results from XPNAV-1 space experiment［21］

1.4 “慧眼”天文衛星導航試驗

2017 年6 月15 日，中國首顆空間X 射線天文衛星——“慧眼”硬X 射線調制望遠鏡（Insight-Hard X-ray Modulation Telescope，Insight-HXMT）發射成功［22］。“慧眼”衛星的主要科學目標為：①掃描銀河系平面，尋找新的瞬變源和監測已知的可變源；②在寬能區范圍內觀測X 射線脈沖雙星，并研究其在強引力場或強磁場中的動力學和輻射機制；③監測和研究伽瑪射線暴［23］。圖7 給出了“慧眼”天文衛星（HXMT）的示意圖［24］。

圖7 “慧眼”天文衛星［24］Fig.7 HXMT［24］

“慧眼”衛星搭載了HE（High Energy）、ME（Medium Energy）、LE（Low Energy）3 臺X 射線探測終端（詳見第3 節），探測能段寬、幾何面積大，為脈沖星導航空間試驗提供了條件。中國科學院高能物理研究所團隊利用2017 年8月30日—9 月3 日期間的Crab 脈沖星觀測數據，完成了脈沖星導航的地面解算，獲得了精度優于10 km 的導航結果（如圖8所示）［22］。

圖8 “慧眼”衛星空間試驗結果（2017 年8 月30 日—9 月3 日）［22］Fig.8 Results from the HXMT space experiment（2017.8.30—9.3）［22］

此外，中國科學院高能物理研究所的研究團隊還與國防科技大學的研究團隊合作，利用“慧眼”衛星 在2018 年10 月30 日—11 月1 日期間的Crab 脈沖星觀測數據，分別使用“慧眼”衛星搭載的不同X射線探測器，完成了脈沖星導航的地面解算，也獲得了精度優于10 km 的導航結果（如圖9所示）［25］。

圖9 “慧眼”衛星空間試驗結果（2018 年10 月30 日—11 月1 日）［25］Fig.9 Results from HXMT space experiment（2018.10.30—11.1）［25］

2 空間試驗使用的脈沖星在軌信號處理與導航定位方法

2.1 空間試驗使用的脈沖星在軌信號處理方法

脈沖星在軌信號處理，指通過處理航天器在軌接收到的脈沖星光子到達時間（Time of Arrival，TOA），解算脈沖相位的過程。航天器在空間的軌道運動，會導致在軌接收到的脈沖星信號含有未知非線性時變的多普勒頻率。而在脈沖星導航過程中，由于航天器的精確位置、速度未知，多普勒頻率無法直接扣除。因此，脈沖星在軌信號處理的關鍵難點在于，如何在含有未知非線性時變多普勒頻率的脈沖星光子到達時間序列中解算出脈沖相位。

在POLAR 和“慧眼”天文衛星的導航試驗中，文獻［16，22］均采用了基于輪廓顯著性搜索定軌（Significance Enhancement of Pulse-profile with Orbit-dynamics，SEPO）的方法，該方法直接利用光子到達時間序列解算航天器的位置、速度，不需要計算脈沖相位。因此，基于SEPO 的方法不需要解決脈沖星在軌信號處理問題，但是該方法需要求解一個6 維的網格搜索問題，計算量大。

在XPNAV-1 的脈沖星導航試驗中所使用的脈沖星在軌信號處理方法可稱為“折疊-擬合-再折疊”法［21］。該方法首先將脈沖星的觀測周期劃分成若干小的時間間隔，并且假設航天器在每段時間間隔內作勻速直線運動，此時可認為每段時間間隔內的多普勒頻率為常值。在時間間隔內，采用基于歷元折疊的方法求解每個時間間隔內的脈沖相位和多普勒頻率。因為XPNAV-1的軌道為近圓軌道，研究人員推導出：由于XPNAV-1 的多普勒頻率所導致的相位偏差可表示為正弦函數。利用每個時間間隔內解算的脈沖相位和多普勒頻率，可以擬合該正弦函數。最后，利用擬合的正弦函數，計算所有光子的相位，將所有光子進行歷元折疊，解算出觀測周期中點處的脈沖相位。然而，“折疊-擬合-再折疊”法需要假設航天器軌道運動能在間隔區間內高精度地近似為勻速直線運動。根據文獻［3，26］的分析，該方法雖然實現較為簡單，但不適用于處理近地軌道航天器觀測的毫秒脈沖星數據。

SEXTANT 團隊的在軌信號處理方法可稱為軌道動力學輔助法。該方法將航天器軌道動力學模型引入脈沖星信號處理框架，獲得了改進相位傳播模型，而后通過極大似然法（Maximum Likelihood Estimation，MLE）估計脈沖相位和多普勒頻率［14］。該方法由于沒有對航天器的軌道進行近似，比XPNAV-1 所使用的相位跟蹤法有更廣泛的適用性。SEXTANT 團隊使用該方法在軌完成了毫秒脈沖星信號處理。但是，該方法在處理Crab 等大流量脈沖星觀測數據時，計算量較大，難以實現在軌計算。2016 年，國防科技大學的研究團隊與SEXTANT 團隊相對獨立地提出了軌道動力學輔助法［27］，并進一步提出在軌歷元折疊［28］、智能優化輔助［29］等方法提升計算速度，可在保證精度的前提下大幅降低計算復雜度，為在軌實時計算提供支持。

綜上，目前空間試驗中所使用的“折疊-擬合-再折疊”法和軌道動力學輔助法均可解決在從含有未知非線性時變的多普勒頻率的光子到達時間序列中估計脈沖相位的問題。但是，“折疊-擬合-再折疊”法基于航天器軌道運動滿足分段線性假設，不適用于處理近地軌道航天器接收的毫秒脈沖星數據；軌道動力學輔助法適用范圍較廣，但是在處理Crab 脈沖星等大流量脈沖星數據時存在計算量較大的問題。

2.2 空間試驗使用的脈沖星導航定位方法

基礎的脈沖星導航方法與衛星導航類似，航天器通過處理接收到的一系列脈沖星光子到達時間，通過信號處理算法解算出脈沖相位，進而獲得脈沖TOA。同時，利用事先建立好的脈沖星信號的時間相位模型，可以推算出脈沖到達太陽系質心（Solar System Barycenter，SSB）的TOA。2 個TOA 之差，即反映了在脈沖星方向上航天器與SSB 之間的距離，航天器通過同時或者序貫觀測多顆脈沖星，利用Kalman 濾波等算法即可確定自身的位置速度等狀態信息。在已經完成的脈沖星導航空間試驗中，研究人員均根據實際情況，對基本的脈沖星導航方法進行了一定改進。

在美國SEXTANT 團隊的導航試驗中，直接將在軌信號處理中解算的脈沖相位和多普勒頻率作為測量量，使用GEONS（Goddard Enhanced Onboard Navigation System）導航濾波器，實現了km 級精度的脈沖星導航［14］。此外，在空間飛行試驗中，脈沖星光子到達時間是通過高精度的GPS時（Global Positioning System Time）記錄的，并未實現考慮星載原子鐘存在鐘差情況下的脈沖星導航性能驗證。在SEXTANT 后續的地面試驗中，研究人員使用晶體振蕩器模擬鐘差，并且推導了考慮鐘差、鐘差變化率以及常值測量誤差的擴展測量模型［30］。使用該擴展模型，SEXTANT 團隊在導航性能幾乎不受影響的情況下成功實現了鐘差的精確估計［30］。

受探測終端有效面積和探測體制的限制，中國的POLAR、XPNAV-1 和“慧眼”衛星當前僅能完成對Crab 脈沖星的較高質量觀測。因此，國內的脈沖星導航空間試驗均設計了基于單脈沖星觀測的導航方法。在XPNAV-1 的導航試驗中，研究人員將脈沖星觀測周期的中點稱為控制點；在控制點處通過在軌信號處理解算出脈沖相位，而后通過與SSB 處的預估脈沖相位進行對比，獲得航天器相對于SSB 在脈沖星方向上的測距信息；在相鄰的控制點之間，通過解析的航天器軌道外推模型解算航天器的位置速度；在控制點處，通過脈沖星方向上的測距信息，對軌道進行修正［21］。在POLAR 和“慧眼”衛星的導航試驗中，研究人員均使用了SEPO 方法［16，22］。該方法利用航天器的預估軌道信息將航天器接收到的光子到達時間進行質心修正，利用質心修正后的光子到達時間序列恢復脈沖輪廓，對恢復的脈沖輪廓進行顯著性分析。預估軌道的誤差越大，則恢復輪廓的顯著性越低。因此，SEPO 將航天器的6 個軌道根數作為參數空間，在參數空間內對恢復的脈沖星輪廓進行顯著性分析，進而獲得最優的軌道根數。

近些年，國內許多學者也利用了XPNAV-1和“慧眼”衛星的觀測數據進行了脈沖星導航地面解算。文獻［31］使用“慧眼”衛星的觀測數據，利用在軌信號處理解算的脈沖相位和多普勒頻率進一步解算出脈沖星方向上的測距信息，而后使用Kalman 濾波算法解算航天器位置、速度，獲得了優于10 km 的導航結果，與文獻［22］精度一致。文獻［32］使用XPNAV-1 的觀測數據，觀測量選取為利用脈沖相位解算的測距信息，在無脈沖星觀測時采用軌道外推計算航天器位置、速度，在有脈沖星觀測時采用Kalman 濾波算法解算航天器位置、速度。但是，由于XPNAV-1 搭載的X 射線探測終端有效面積較小，在文獻［32］處理的15 組實測數據中，僅有4 組數據獲得了誤差為10 km 左右的導航結果，其余數據的導航結果不佳［32］。

此外，由于Crab 脈沖星流量較大，航天器接收到的光子數據量大，導致在軌信號處理的計算量遠超星載計算平臺的計算能力。因此，POLAR、XPNAV-1 和“慧眼”衛星的空間試驗均未在軌實現脈沖星信號處理和導航解算。為此，文獻［25］提出基于在線計時的脈沖星信號處理及導航方法。該方法推導了反映脈沖相位及多普勒頻率與航天器狀態之間關系的在線計時模型，并依據此將脈沖相位、多普勒頻率和航天器的狀態一起進行迭代估計。研究人員利用該方法處理“慧眼”衛星和NICER 探測器的Crab 脈沖星實測數據，同樣取得了優于10 km 的導航結果［25］，且計算成本大幅降低，具備實現在軌實時解算的潛力。

表1 總結了脈沖星導航空間試驗所用的在軌信號處理與導航定位方法。結合前文的分析，可以看出，中國目前完成的脈沖星導航空間試驗，均根據任務的特點設計了脈沖星導航定位方法，成功驗證了脈沖星導航的原理和性能。但是受星載計算能力的限制，暫未在軌實現利用Crab 等大流量脈沖星的導航試驗和星載原子鐘鐘差修正試驗。

表1 脈沖星導航空間試驗所用的在軌信號處理與導航定位方法Table 1 On-orbit signal processing and navigation methods used in pulsar navigation space experiments

3 空間試驗使用的X 射線探測終端

X 射線探測終端是航天器觀測脈沖星的“眼睛”，是脈沖星導航的核心載荷，其主要包含2 部分：用于收集X 射線光子的前端光學系統和用于記錄X 射線光子的光電轉換器件。表2 總結了脈沖星導航空間試驗所使用的X 射線探測終端。

表2 脈沖星導航空間試驗所使用的X 射線探測終端Table 2 X-ray detectors used in space experiments on pulsar navigation

NICER 的X 射線探測終端是由56 個相同的探測器模塊組成。探測器模塊的前端為單次反射的掠入射聚焦型光學系統，后端為硅漂移探測器（Silicon Drift Detector，SDD）［33］。NICER 探測器的總有效面積約1 800 cm2@1.5 keV（總幾何面積約6 400 cm2），時間分辨率100 ns，探測能區為0.2～12 keV［13，33］。此外，NASA 于2019 年將調制X 射線源（Modulated X-ray Source，MXS）安裝于國際空間站，并計劃利用MXS 與NICER 共同開展X 射線通信的在軌演示驗證。如果項目成功，將為X 射線探測終端帶來更加廣闊的應用前景［34］。

POLAR 的主要任務是探測伽馬射線暴偏振，其前端光學系統為準直型光學系統，后端為塑料閃爍體［35］。POLAR 可探測能量在15～500 keV范圍內的X射線光子，有效面積約200 cm2，具備一定的X 射線脈沖星觀測能力［16］。

XPNAV-1 衛星搭載了2 種X 射線探測終端：TSXS 和HTPC［19］。TSXS 的前端 為單次反射的掠入射聚焦型光學系統，后端為SDD［18-19］。TSXS 的時間分辨率優于1.5 μs［18］，總有效面積為2.3 cm2@1.5 keV（總幾何面積約30 cm2）［21］，探測能區為0.5～10 keV［18］。HTPC 的前端為X射線微孔光學系統，后端為微通道板（Microchannel Plate，MCP）探測器，時間分辨率約為100 ns，探測能區為1～10 keV，總幾何面積約1 200 cm2［18］。

“慧眼”衛星搭載了3 臺X 射線望遠鏡：高能X 射線望遠鏡（HE）、中能X 射線望遠鏡（ME）和低能X 射線望遠鏡（LE），3 臺望遠鏡的前端均為準直型光學系統［22］。HE 的后端為NaI（Tl）/CsI（Na）復合閃爍體，其探測能區20～250 keV，總幾何面積約5 000 cm2［36］。ME 的后端為Si-PIN 探測器，其探測能區為5～30 keV，總幾何面積約為952 cm2［22，37］。LE 的后端為掃描電荷器件（Swept Charge Device，SCD）探測器，其探測能區1～15 keV，總幾何面積約為384 cm2［38］。

4 國內脈沖星導航空間試驗的不足

目前為止，國內共完成了3 次脈沖星導航空間試驗，均圓滿實現了試驗目標。并且，利用“慧眼”衛星實測數據的脈沖星導航地面解算結果與美國脈沖星導航空間試驗的導航結果取得了一致的精度。但是，中國脈沖星導航試驗還存在以下2 點差距。

一是中國X 射線探測終端目前不具備毫秒脈沖星觀測能力。受探測終端面積和探測體制的影響，目前中國在軌運行的X 射線探測終端僅能觀測到Crab 等流量較大脈沖星。由于Crab 脈沖星相對年輕，其自轉周期較慢且不穩定，時常發生周期躍變現象。相對而言，毫秒脈沖星的自轉周期十分穩定。但是由于探測能力的限制，國內尚無法自主獲取毫秒脈沖星觀測數據，無法實現利用第一手的毫秒脈沖星實測數據進行脈沖星導航技術研究和驗證，不利于脈沖星導航技術的進一步發展。

二是不具備脈沖星在軌信號處理與導航解算能力。目前，在中國的脈沖星導航空間試驗中，脈沖星觀測數據均需要下傳至地面進行進一步的信號處理和導航解算，尚未實現在軌實時計算。為支持未來脈沖星導航在軌工程應用，在空間試驗中在軌實現脈沖星信號處理與導航計算是十分重要的。因此，需要針對星載計算和存儲環境特點，優化設計星載計算平臺，研究更加高效的脈沖星在軌信號處理和導航解算方法，實現在軌解算。

5 脈沖星導航空間試驗展望

5.1 需要解決的技術問題

目前，國內外已開展了多次脈沖星導航空間試驗，成功驗證了脈沖星導航的可行性。但是，面向未來的工程應用，仍需要解決以下3 方面的關鍵問題。

一是X 射線探測終端仍需增效降重。X 射線探測終端是脈沖星導航的核心載荷之一，現有的X 射線探測終端存在探測效率低、體積大、重量大的問題。由于脈沖星信號十分微弱，而X 射線探測終端探測效率低，為了實現高精度的脈沖星觀測，通常需要提高探測終端面積。目前，美國的NICER 的總幾何面積達6 400 cm2，“慧眼”衛星的高能X 射線望遠鏡的總幾何面積也達到5 000 cm2（質量約400 kg），這對航天器的搭載能力提出了較高的要求。為了擴展脈沖星導航技術的應用范圍，降低安裝難度，需要研制更加輕便、高效的X 射線探測終端。

二是高精度的導航脈沖星數據庫仍需完善。導航脈沖星數據庫是實現脈沖星導航的基礎，也是影響脈沖星導航精度的關鍵因素之一。脈沖數據庫主要包含脈沖星計時模型、模板輪廓、角位置等。為構建高精度的導航脈沖星數據庫，需要統籌地面射電、光學，空間X 射線等多波段的脈沖星觀測設備，制訂長期的觀測計劃。通過天地協同的長期觀測，獲取多波段脈沖星觀測數據并進行綜合處理，實現高精度的導航脈沖星數據庫構建。

三是基于大流量年輕脈沖星的在軌實時導航計算仍需突破。年輕脈沖星的流量大，與毫秒脈沖星相比，僅需要較短時間的觀測即可獲得較高精度的脈沖到達時間，可大幅降低對探測終端的制造工藝和有效面積的要求。雖然美國SEXTANT 團隊和“慧眼”衛星團隊均開展了基于大流量年輕脈沖星的導航試驗。但是，由于年輕脈沖星的數據量大，暫未實現在軌實時導航計算。因此，面向未來工程應用，需要突破基于大流量年輕脈沖星的在軌實時導航計算。

5.2 脈沖星導航空間試驗設想

結合已完成的脈沖星導航空間試驗情況以及未來脈沖星導航工程應用的需要，本文提出未來脈沖星導航空間試驗設想如下。

一是對已有的X 射線探測終端進行優化升級。目前中國暫不具備X 射線毫秒脈沖星觀測能力，有必要在現有方案的基礎上對X 射線探測終端進行優化升級，支持實現在軌X 射線毫秒脈沖星觀測和脈沖星導航實時解算。

二是積極探索新體制的X 射線探測終端方案。為了滿足未來脈沖星導航在深空探測任務中的應用需求，必須要研制輕量化、低功耗的脈沖星導航終端。基于微孔光學（Micro Pore Optics，MPO）［39］的X 射線探測終端具有輕量化的潛力，并且已在中國的中國科學院空間新技術試驗衛星（SATech-01）上實現了在軌驗證［40］。因此，針對X 射線探測終端的輕量化需求，探索基于MPO 等新體制的X 射線探測終端方案，對推廣脈沖星導航工程應用具有重要意義。

三是利用X 射線天文衛星開展脈沖星導航試驗。近些年，中國計劃發射“愛因斯坦探針（Einstein Probe，EP）”“增強型X 射線時變與偏振空間天文臺（The enhanced X-ray Timing and Polarimetry，eXTP）”等X 射線天文衛星［41-42］。其中EP 衛星計劃搭載的后隨觀測X 射線望遠鏡（Following-up X-ray Telescope，FXT）和eXTP衛星的光學聚焦望遠鏡陣列（Spectroscopic Focusing Array，SFA）、大面積準直型望遠鏡陣列（Large Area Detector，LAD）均在軟X 射線能區具有較大的有效面積（FXT：120 cm2@1 keV，SFA：7 400 cm2@2 keV，LAD：3.4 m2@8 keV）［41-42］，具有很強的脈沖星觀測能力。因此，可申請X 射線天文衛星的觀測時間，利用其脈沖星數據開展脈沖星導航空間試驗。

6 結論

近些年，脈沖星導航技術蓬勃發展，國內外先后開展了多次空間試驗，驗證了脈沖星導航技術的可行性，積累了寶貴的脈沖星觀測數據。本文對脈沖星導航空間試驗中使用的在軌信號處理與導航定位算法、X 射線探測終端進行了系統的梳理，分析了國內脈沖星導航空間試驗與美國SEXTANT 任務的差距。最后，針對未來工程應用的需求，提出了脈沖星導航空間試驗的未來發展方向。