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摘 要：本文结合X 射线的信号和脉冲星的相关特点，阐述了几种基于X射线脉冲星的导航方法，分别是定时、定姿、测速和定位。
關键词：X射线；脉冲星；导航
脉冲星是体积小、密度大并高速旋转的中子星。脉冲星具有非常强大的磁场，射线束只能够沿着磁极方向以一个很小的夹角发射出来。当脉冲星的磁轴方向与自转轴方向不想同时，射线束就有可能以极快的速度、周期性地扫过地球。这就是人们所说的脉冲星的灯塔模型，只不过这里的光线是X、α、β等射线，其中又以 X射线最容易被观测到，所以目前的脉冲星导航研究主要是以 X 射线脉冲星为主。
结合观测到X射线的强度信息变化，通过探测器以及相关电路可以得出X射线脉冲信号的周期性轮廓图。这个信号图虽然很规则，但是非常单调，而且我们就是要从这样周期性重复的观测信息中来得到想要的导航信息。一般来说，导航信息共包括四个方面，分别是时间、姿态、速度、位置。下面就从这四个方面分别进行详细介绍。
一、定时
实践证明，精确的时间基准是一切导航系统的基础。我们知道，一些脉冲星的周期稳定性和长期稳定度甚至比目前世界上最好的原子钟还要出色。从时间校对的意义上讲，具有更高精度的脉冲星完全可以用来提高飞行器上的机载原子钟。实际上，这里所说的脉冲星定时并不能够确定绝对时间，而是以通过修正机载原子钟的方式来获得更高精度的时间基准，从而进一步得到更精度的导航信息。脉冲星授时的优势就是只需要机载脉冲星信号观测设备、机载原子钟以及机载电脑就可以工作，而不需要地面设备的支持，因此它具有非常强的自主性。
另外，单个的脉冲到达时间也完全可以用来修正原子钟。机载X 射线观测设备实测得到的脉冲到达时间与脉冲星模型预测的到达时间之间的偏差为机载原子钟的修正提供了一个观测量。这个误差观测量的值包括了飞行器的速度、相对论、原子钟本身以及其它各种因素造成的时间误差。用相应的算法去掉其它因素的影响后得到的结果就可以用来修正机载原子钟。
目前的GPS、GLONASS等近地轨道的导航系统和飞行器提供时间基准的一般为机载的原子钟和本地晶体振荡器。其定时、授时精度可以满足一般飞行任务的基本要求。但是随着时间和宇宙环境的影响，原子钟和晶体振荡器的频率会产生一定的漂移。
在这种情况下，对于低轨道的飞行器来说，一般可以通过地面站以无线电的方式对飞行器的时间基准进行校正。对于无线电信号难以到达的深空轨道和星际空间来说，就需要一种更为灵活的方法对其中的航天器进行时间基准的修正。而星际空间中广泛分布的X射线脉冲星完全不亚于地面上最好原子钟的周期稳定度，无疑为科学家们提供了新的思路。随着对X射线脉冲星研究的不断深入，越来越多的人们认识到利用 X射线脉冲星修正时间基准的优势，主要表现在以上两个方面。
第一，脉冲星是天然的射线源，距离地球非常遥远，但在宇宙空间中分布却比较广泛，即使在战时也不必担心被摧毁，其自主运行的稳定性及安全性都非常强。
第二，在宇宙空间中可用于定位导航的脉冲星数目很多，其大多数都具有堪比原子钟的周期时间稳定度，这使得在以后的航空、航天等任务中的时间基准更加灵活。
二、定姿
航天器的姿态信息对于导航来说同样至关重要，因为它指示了航天器的飞行方向以及飞行状态。目前，航天器的定姿一般是通过可见光频段的成像来实现。而X射线脉冲星发出的脉冲信号持续并且稳定，利用X射线成像技术就可以使它像其它的高亮度恒星一样为航天器提供姿态信息。在航天器上安装一个位置固定的X射线探测器后，航天器的姿态就可以通过观测射线源在星敏感器视场中的位置，再与已知数据库中的射线源信息比对而得出。
利用X射线进行姿态确定的关键问题是，把X射线敏感器探测到的X射线源在飞行器本体坐标系中的方位与基于已知星图的X射线源方位的期望值作比对，以此产生一个误差信号来确定飞行器在惯性空间中的姿态。
姿态确定的关键是精确瞄准X射线源的方法。如果瞄准系统是基于光学成像的X射线镜头，那么瞄准方法就类似于光学恒星追踪器对 X射线源自动扫瞄跟踪。Uhuru是第一颗使用X射线星追踪器来进行姿态确定的卫星，它的方位测量精度达到了角分（arc-minute）的精度。但X射线镜头价格昂贵、重量大，无法作为导航设备进行使用。因此，需要研究基于X射线探测器的方位测量。经研究，一种可能的解决办法是，用一个精确校准的X射线探测器对X射线源进行扫描，当响应达到最大值时，探测器所指方向就是X射线源方向。对多个方向进行扫描，就可以得到描述飞行器在惯性空间内方位的信息。
利用X射线源进行定姿具有如下几个优点：
第一，X射线源数目少、信号结构简单，简化了识别的难度；
第二，周期性的对源进行扫描，可以很好地解决确认导航星时的识别问题；
第三，X射线探测器不需要任何光学仪器和特别的制冷设备；
第四，姿态的测量是在惯性系中进行的，它的精度和一般的星跟踪器相差不多；
第五，时间、姿态和位置的测量可以由一个单一的仪器自主完成。
三、测速
在航天器执行某些飞行任务时，其飞行速度是迫切需要知道的。确定速度的一种最简单的方法是：测量一个固定时间范围内该航天器位置的相对变化量，然后用多种算法得到位置变化量与时间间隔的比值，也就是得到航天器的速度。这种方法虽然简单，但取时间间隔时引入的误差会对计算出的速度值产生巨大影响。所以这种法得出的速度值精度一般极差，应用范围也不广。
第二种方法是通过观测脉冲星信号的多普勒频移来实现速度测量。因为脉冲星发出的脉冲信号在宇宙中是呈现周期性的，当航天器飞向或飞离脉冲星时，多普勒效应就会出现在脉冲星信号的观测数据中。测量一个脉冲星的脉冲信号频率，然后再与脉冲星模型给出的频率值进行比较，这样就可以得出多普勒频移量。而这个频移量就可以转化成航天器沿着脉冲星视线方向的速度。
四、定位
在导航信息的四个要素中，位置信息无疑是其中最重要的一个方面。因为位置信息影响到航天器飞行过程中的轨道定制、轨道修改和航天器之间相互避让等一系列重要的工作。而且对于这些任务来说，位置信息的精度越高越好。与GPS卫星导航定位原理非常类似，在集合了多个脉冲星的观测信息以后，航天器的位置信息就可以确定了。但是，由于脉冲星距离地球非常遥远，它的精确的位置信息无法测得，所以脉冲星导航也不能像GPS卫星导航定位那样得到航天器相对于导航星座的绝对位置。在脉冲星导航定位中，一般把需要的位置信息换算到一个惯性坐标系中。
由于脉冲星是宇宙空间中非常稳定的中子星，它们在太阳质心坐标系中的位置是基本固定不变的。所以，在脉冲星导航定位中一般需要把位置信息换算到以太阳质心为原点的太阳质心坐标系中。目前，人类的宇宙空间探索活动基本上都是在太阳系中进行的，脉冲星导航给出的相对于太阳质心的位置信息能够为人类的探索活动提供有力的理论支持。
關键词：X射线；脉冲星；导航
脉冲星是体积小、密度大并高速旋转的中子星。脉冲星具有非常强大的磁场，射线束只能够沿着磁极方向以一个很小的夹角发射出来。当脉冲星的磁轴方向与自转轴方向不想同时，射线束就有可能以极快的速度、周期性地扫过地球。这就是人们所说的脉冲星的灯塔模型，只不过这里的光线是X、α、β等射线，其中又以 X射线最容易被观测到，所以目前的脉冲星导航研究主要是以 X 射线脉冲星为主。
结合观测到X射线的强度信息变化，通过探测器以及相关电路可以得出X射线脉冲信号的周期性轮廓图。这个信号图虽然很规则，但是非常单调，而且我们就是要从这样周期性重复的观测信息中来得到想要的导航信息。一般来说，导航信息共包括四个方面，分别是时间、姿态、速度、位置。下面就从这四个方面分别进行详细介绍。
一、定时
实践证明，精确的时间基准是一切导航系统的基础。我们知道，一些脉冲星的周期稳定性和长期稳定度甚至比目前世界上最好的原子钟还要出色。从时间校对的意义上讲，具有更高精度的脉冲星完全可以用来提高飞行器上的机载原子钟。实际上，这里所说的脉冲星定时并不能够确定绝对时间，而是以通过修正机载原子钟的方式来获得更高精度的时间基准，从而进一步得到更精度的导航信息。脉冲星授时的优势就是只需要机载脉冲星信号观测设备、机载原子钟以及机载电脑就可以工作，而不需要地面设备的支持，因此它具有非常强的自主性。
另外，单个的脉冲到达时间也完全可以用来修正原子钟。机载X 射线观测设备实测得到的脉冲到达时间与脉冲星模型预测的到达时间之间的偏差为机载原子钟的修正提供了一个观测量。这个误差观测量的值包括了飞行器的速度、相对论、原子钟本身以及其它各种因素造成的时间误差。用相应的算法去掉其它因素的影响后得到的结果就可以用来修正机载原子钟。
目前的GPS、GLONASS等近地轨道的导航系统和飞行器提供时间基准的一般为机载的原子钟和本地晶体振荡器。其定时、授时精度可以满足一般飞行任务的基本要求。但是随着时间和宇宙环境的影响，原子钟和晶体振荡器的频率会产生一定的漂移。
在这种情况下，对于低轨道的飞行器来说，一般可以通过地面站以无线电的方式对飞行器的时间基准进行校正。对于无线电信号难以到达的深空轨道和星际空间来说，就需要一种更为灵活的方法对其中的航天器进行时间基准的修正。而星际空间中广泛分布的X射线脉冲星完全不亚于地面上最好原子钟的周期稳定度，无疑为科学家们提供了新的思路。随着对X射线脉冲星研究的不断深入，越来越多的人们认识到利用 X射线脉冲星修正时间基准的优势，主要表现在以上两个方面。
第一，脉冲星是天然的射线源，距离地球非常遥远，但在宇宙空间中分布却比较广泛，即使在战时也不必担心被摧毁，其自主运行的稳定性及安全性都非常强。
第二，在宇宙空间中可用于定位导航的脉冲星数目很多，其大多数都具有堪比原子钟的周期时间稳定度，这使得在以后的航空、航天等任务中的时间基准更加灵活。
二、定姿
航天器的姿态信息对于导航来说同样至关重要，因为它指示了航天器的飞行方向以及飞行状态。目前，航天器的定姿一般是通过可见光频段的成像来实现。而X射线脉冲星发出的脉冲信号持续并且稳定，利用X射线成像技术就可以使它像其它的高亮度恒星一样为航天器提供姿态信息。在航天器上安装一个位置固定的X射线探测器后，航天器的姿态就可以通过观测射线源在星敏感器视场中的位置，再与已知数据库中的射线源信息比对而得出。
利用X射线进行姿态确定的关键问题是，把X射线敏感器探测到的X射线源在飞行器本体坐标系中的方位与基于已知星图的X射线源方位的期望值作比对，以此产生一个误差信号来确定飞行器在惯性空间中的姿态。
姿态确定的关键是精确瞄准X射线源的方法。如果瞄准系统是基于光学成像的X射线镜头，那么瞄准方法就类似于光学恒星追踪器对 X射线源自动扫瞄跟踪。Uhuru是第一颗使用X射线星追踪器来进行姿态确定的卫星，它的方位测量精度达到了角分（arc-minute）的精度。但X射线镜头价格昂贵、重量大，无法作为导航设备进行使用。因此，需要研究基于X射线探测器的方位测量。经研究，一种可能的解决办法是，用一个精确校准的X射线探测器对X射线源进行扫描，当响应达到最大值时，探测器所指方向就是X射线源方向。对多个方向进行扫描，就可以得到描述飞行器在惯性空间内方位的信息。
利用X射线源进行定姿具有如下几个优点：
第一，X射线源数目少、信号结构简单，简化了识别的难度；
第二，周期性的对源进行扫描，可以很好地解决确认导航星时的识别问题；
第三，X射线探测器不需要任何光学仪器和特别的制冷设备；
第四，姿态的测量是在惯性系中进行的，它的精度和一般的星跟踪器相差不多；
第五，时间、姿态和位置的测量可以由一个单一的仪器自主完成。
三、测速
在航天器执行某些飞行任务时，其飞行速度是迫切需要知道的。确定速度的一种最简单的方法是：测量一个固定时间范围内该航天器位置的相对变化量，然后用多种算法得到位置变化量与时间间隔的比值，也就是得到航天器的速度。这种方法虽然简单，但取时间间隔时引入的误差会对计算出的速度值产生巨大影响。所以这种法得出的速度值精度一般极差，应用范围也不广。
第二种方法是通过观测脉冲星信号的多普勒频移来实现速度测量。因为脉冲星发出的脉冲信号在宇宙中是呈现周期性的，当航天器飞向或飞离脉冲星时，多普勒效应就会出现在脉冲星信号的观测数据中。测量一个脉冲星的脉冲信号频率，然后再与脉冲星模型给出的频率值进行比较，这样就可以得出多普勒频移量。而这个频移量就可以转化成航天器沿着脉冲星视线方向的速度。
四、定位
在导航信息的四个要素中，位置信息无疑是其中最重要的一个方面。因为位置信息影响到航天器飞行过程中的轨道定制、轨道修改和航天器之间相互避让等一系列重要的工作。而且对于这些任务来说，位置信息的精度越高越好。与GPS卫星导航定位原理非常类似，在集合了多个脉冲星的观测信息以后，航天器的位置信息就可以确定了。但是，由于脉冲星距离地球非常遥远，它的精确的位置信息无法测得，所以脉冲星导航也不能像GPS卫星导航定位那样得到航天器相对于导航星座的绝对位置。在脉冲星导航定位中，一般把需要的位置信息换算到一个惯性坐标系中。
由于脉冲星是宇宙空间中非常稳定的中子星，它们在太阳质心坐标系中的位置是基本固定不变的。所以，在脉冲星导航定位中一般需要把位置信息换算到以太阳质心为原点的太阳质心坐标系中。目前，人类的宇宙空间探索活动基本上都是在太阳系中进行的，脉冲星导航给出的相对于太阳质心的位置信息能够为人类的探索活动提供有力的理论支持。