X射线脉冲星导航标准化实践与探索

彭洪江 张乐 史钰峰

（1北京空间科技信息研究所；2山东航天电子技术研究所）

X射线脉冲星导航标准化实践与探索

彭洪江1张乐1史钰峰2

（1北京空间科技信息研究所；2山东航天电子技术研究所）

文 摘：简述脉冲星导航标准化实践顶层设计原则，从技术要求、系统校准、安装和标定测试等方面探索开展标准化工作的实践，结合脉冲星导航的技术特点和发展趋势，提出该领域标准化重点工作的建议，展望未来脉冲星导航领域标准化工作的发展。

X射线脉冲星；航天器自主导航；标准化；专利标准化。

X射线脉冲星导航是在航天器上安装X射线探测器，探测脉冲星辐射的 X射线光子，测量光子到达时间并提取脉冲星影像信息，经过相应的信号和数据处理，航天器自主确定轨道、时间和姿态等导航参数的过程[1]。X射线脉冲星导航(以下简称 “脉冲星导航”)是一种新型天文导航技术，是对目前广泛应用的卫星导航的有效补充，可以为卫星导航系统无法覆盖的高轨航天器和深空探测器提供自主导航定位服务。脉冲星导航具有不依赖于地面操作、适用空间范围广泛、精度高、自主性强、系统简单、可靠性优良等特点，是人类走向深空、进行星际旅行最适宜的导航方法，具有广阔的应用前景。

脉冲星导航研究最早开始于2004年美国国防部国防预先研究计划局提出的 “基于X射线源的自主导航定位验证”计划。我国也从2005年就开始了脉冲星导航的工程化应用研究，已研制出多种类型的探测器。航天科技集团公司五院是国内最早从事该领域研究的单位，鉴于国际脉冲星导航技术迅速发展和国内竞争态势，五院成立了脉冲星导航团队，大力推动该领域创新研究和地面试验，使我国脉冲星导航领域能够在短时间内从系统概念研究发展到空间飞行试验。首颗脉冲星导航专用试验卫星已于2016年10月发射入轨。

五院非常重视企业自身的标准化建设，在载人飞船、北斗导航卫星、高分对地观测卫星等重点型号中开展型号标准化，对缩短型号研制周期、降低研制成本、提高研制质量起到了重要作用。特别是在神舟五号飞船发射前，基本建立起具有自主知识产权和中国特色的载人飞船标准体系。 “十二五”期间，与技术研究同步，五院在X射线脉冲星导航领域，自主开展了标准化探索与实践。实施了一大批与X射线脉冲星导航相关的现有标准，聚焦多种探测器性能比测难题，进行了X射线脉冲星导航地面试验系统和导航探测器标准化研究；结合脉冲星导航技术和研制的特点，开展了标准化实践的顶层设计，确定了标准化实践的原则、方案，并在实际工作中制定标准、实施标准和贯彻标准，编制了 《X射线脉冲星导航探测器标定与测试方法》等四项标准，为科学合理地评价导航探测器性能提供了标准接口和标准方法，有效支撑了我国 X射线脉冲星导航领域在短时间内实现从系统概念研究到空间飞行试验的跨越式发展。

1 脉冲星导航标准化顶层设计原则

1.1 充分继承和利用国家、集团公司和企业的相关标准化成果

在北斗办的领导下， “北斗卫星导航标准体系”已经建立，成立了全国北斗卫星导航标准化技术委员会，制定了一系列国际标准、国家标准及行业标准。五院在航天器标准化方面也积累了大量的经验，建立了 “航天器标准体系”。该标准体系分为4个部分：管理、产品保证、工程和产品，包括了2000多项各级标准，覆盖了航天器产品研制的全寿命周期。脉冲星导航领域的标准化工作应该充分继承和利用这些现有的标准化成果。

1.2 从预研阶段开始考虑标准化，集中资源解决重点难题

标准化工作与研制工作相辅相成，且标准化工作开展得越早，对工程建设的指导性越强，获得的收益越大。为了充分发挥标准化在脉冲星导航发展过程中的引领作用，应针对脉冲星导航研究特点，从预研阶段开始论证脉冲星导航对标准化的需求。

脉冲星导航目前还处于发展的初级阶段，现阶段很多关键技术还没有攻克，不适宜全面开展标准制定，应以脉冲星导航技术研究和试验验证中的接口、技术要求和测试方法等为重点开展标准化工作，突出脉冲星导航自身的特点，以标准促合作，以标准促发展。

标准化工作的开展需要大量的沟通与协调，需要通过各部门相互配合，就标准的具体要求和实施途径达成一致。应组建由管理、研究、试验、生产和标准化等部门组成的团队专门负责相关问题的协调和统一。

2 脉冲星导航标准化实践

实施已有标准，在重点领域制定并实施急需标准。脉冲星导航相关产品的研制应遵循航天器研制的基本要求，执行 “北斗卫星导航标准体系”和 “航天器标准体系”中梳理的与卫星平台研制、环境试验、项目管理、产品保证以及制造等方面相关的现有标准，约200项。

脉冲星导航领域的快速发展得益于 “十二五”期间北斗专项的大力支持，尤其是地面试验系统的建立，为开展导航探测器的性能测试提供了基础保障。然而，由于各类导航探测器的技术途径不同，没有形成统一的接口和技术要求，导致联合测试工作流程复杂，实施难度大，给客观评估导航探测器性能提出了很大的挑战。而开展地面试验系统的标准化工作是解决这一问题的最佳途径。地面试验系统的标准化需要考虑研制、使用和维护等各个阶段，需要综合考虑不同单位的需求，同时还需要考虑技术的发展。经过深入地分析和论证，确定从以下四个方面开展标准化。

2.1 技术要求标准化

开展地面试验系统技术要求标准化主要是为了规范地面试验系统的技术要求。它固化了组成地面试验系统的6大分系统，地面试验系统能实现的主要功能以及轮廓相似度、最大光子流强、窄脉冲宽度等40余项具体的性能指标，地面试验系统能为被测导航探测器提供的各类接口等，以全面地展示地面试验系统的各方面能力。地面试验系统建成后，除了可拆卸的模块外，它的尺寸、真空度等绝大部分技术指标和对外接口就确定了，不可能因为被测导航探测器的特殊需求而改变或重新设计。为了使用地面试验系统进行地面试验，各研制单位需要了解地面试验系统的试验能力，地面试验系统为被测导航探测器提供的各类接口。为了解决这一问题，五院制定了 《X射线脉冲星导航地面试验系统技术要求》。

2.2 系统校准标准化

开展地面试验系统校准标准化，主要是为了规范地面试验系统的整个校准过程，明确在什么情况下校准、校准什么内容、怎么完成校准。它固化了新研制、使用中、维修后的地面试验系统需要进行校准的27个校准项目及其对应的校准方法。在地面试验系统的使用过程中，它的技术指标会随着时间的推移而发生变化，需要周期性地进行校准，以保证其标定与测试的准确性。为了解决这一问题，五院制定了 《X射线脉冲星导航地面试验系统校准规范》。

2.3 安装实施标准化

开展导航探测器安装实施标准化，主要是为了规范导航探测器在地面试验系统上的整个安装过程，固化导航探测器在地面试验系统上进行安装的准备工作以及3个安装阶段 （装配、对准、卸装）的具体操作要求、注意事项和关键记录环节等。由于装载的航天器平台不同，不同厂商研制的导航探测器的安装接口不完全相同，需要通过地面工装来实现与地面试验系统安装接口的匹配。另外，还需要通过高质量的实施操作来保证导航探测器的安装精度以满足标定与测试要求。为了解决这一问题，五院制定了 《X射线脉冲星导航探测器试验安装技术要求》。

2.4标定测试标准化

开展导航探测器标定测试标准化，主要是为了规范导航探测器的标定与测试方法，固化导航探测器在地面研制过程中需要进行的1项标定项目、7项测试项目及其对应的具体方法、数据处理要求等。地面标定与测试是导航探测器研制过程中的一个重要环节，它既是对产品功能性能的验证，也是对产品设计改进的一种反馈，贯穿于导航探测器的整个研制阶段。虽然不同导航探测器的技术指标存在一定差异，但指标项目是相同的，检验方法是通用的，需要统一。为了解决这一问题，五院制定了 《X射线脉冲星导航探测器标定与测试方法》。

3 脉冲星导航标准化实践效果

在脉冲星导航研制过程中，使用了1500余项核心标准。对已有标准的继承和实施大大提高了脉冲星导航相关产品的研制效率，缩短了研制周期、降低了研制经费，推动了脉冲星导航技术的发展。

在对现有标准的贯彻实施的同时，还在重点领域的标准制定方面取得了成果。在针对地面试验系统的标准化实践过程中，五院结合用户、研制方及试验方之间的相互需求 (如图1所示)制定了4项标准。其中， 《X射线脉冲星导航地面试验系统技术要求》指导了地面试验系统建设，规范了导航探测器测试接口的设计和测试方案的制定； 《X射线脉冲星导航地面试验系统校准规范》有效保证了地面试验系统测试的有效性和权威性； 《X射线脉冲星导航探测器试验安装技术要求》解决了地面试验系统与各类导航探测器安装接口匹配的问题，保证了各类导航探测器的安装精度满足标定与测试要求； 《X射线脉冲星导航探测器标定与测试方法》为用户建立了一套得到业内广泛认可的评价方法体系，为科学合理地评价导航探测器的功能性能提供了依据，同时也为不同导航探测器之间的评测建立了基准。这些标准自发布以来不仅为脉冲星导航实验卫星所搭载的正样导航探测器的验收提供了依据，同时还有效指导了国产导航探测器比测工作的开展。

上述标准的应用效果确实也没有辜负大家的期望，并受到了上级单位和兄弟单位的广泛好评。脉冲星导航标准化实践经验如下。

a）领导重视是关键，组织落实是保障。脉冲星导航的标准化工作从一开始就受到了五院机关及各厂所领导的高度重视，各单位为其配备了最精良的人员，共同组建了由技术专家和标准化专家组成的专业团队。实践证明这对于保障该领域标准化工作的开展起到了重要作用。

b）充分继承现有标准化成果。采用 “拿来主义”的策略，充分继承现有标准化成果，有助于把有限的时间集中在脉冲星导航最需要标准化的地方，可以获得最大的效益。

c）标准化工作开展得越早，对脉冲星导航研制的指导性越强。五院创新性从预研阶段就统筹考虑工程研制对标准化的现实需求，充分发挥了标准化在脉冲星导航研制过程的引领作用。

d）多部门协作是开展标准化工作的前提。只有各部门相互配合，才能保证标准的编制质量和实施效果。

e）突出重点、问题导向是助推剂。标准化工作在全面覆盖的基础上，聚焦到地面试验系统等重点问题上，有效解决了脉冲星导航当前研制过程中面临的主要矛盾。

4 脉冲星导航标准化探索

在总结 “十二五”期间脉冲星导航领域的标准化成果和经验后，笔者结合 “十三五”时期规划发射搭载超大面阵X射线探测器的脉冲星导航演示验证卫星、建设脉冲星导航空间基准星座以及脉冲星导航大系统的规划论证与逐步建设等工作进行了深入思考，提出如何进行标准化探索的建议。

4.1 充分认识标准化对脉冲星导航的重要作用

《国家创新驱动发展战略纲要》从党和国家工作全局高度，专门用一个部分部署 “实施知识产权、标准、质量和品牌战略”，标准化已经成为实施创新驱动发展战略的重要内容。 《国家创新驱动发展战略纲要》同时还将深空探测列为面向2030年，部署一批体现国家战略意图的重大科技项目和工程的领域之一。X射线脉冲星导航能够满足深空探测、星际旅行长距离、长时间、高精度导航的需要，是实现航天器自主导航的重大战略发展方向。我们必须重新认识标准化对脉冲星导航的重要作用，充分发挥标准化对脉冲星导航技术创新、市场化和产业化的基础性、战略性和引领性作用。

4.2 强化标准化与脉冲星导航创新研发相融合

加大脉冲星导航研发对标准研制的支持，深化研发项目与标准化紧密结合的机制，在项目设计、立项、预研、实施和验收各阶段，对研发技术和产品增加标准化指标要求，通过项目促进科技成果、专利技术转化和快速推广应用，将标准作为项目实施的主要考核指标之一。

4.3 尽快启动国家脉冲星导航标准体系规划和建设

研究分析脉冲星导航标准化需求和重点方向，系统梳理现有相关标准，构建先进、开放、协调和国际化的脉冲星导航标准体系。按照同步研发、市场导向、结合专利、立足国际、急用现行的原则，重点研制时空基准、探测器、地面试验系统、导航数据库、导航解算算法等通用基础和关键核心技术与产品标准。同时在合适时机，还应将4项五院标准上升为国家标准，以更好地发挥作用。

4.4 建立健全脉冲星导航标准化组织机构

在全国北斗导航标准化技术委员会下，成立脉冲星导航标准化分技术委员会，负责脉冲星导航国家标准的规划和编制。联合脉冲星导航领域科研、技术开发、设计、产品制造、运营和服务等企事业单位及高等院校和社会团体成立国家脉冲星导航协会，负责脉冲星导航团体标准规划和编制，充分发挥团体标准编制快速、灵活、与市场结合紧密的优势。

4.5 引领脉冲星导航国际标准化

我国正在实现航天大国向航天强国转变，迫切需要提升我国对国际航天标准化活动的贡献度和影响力，来彰显航天软实力和话语权。我国脉冲星导航技术处于世界领先地位，为我国引领脉冲星导航国际标准化创造了必要条件。一方面，要积极主动实质参与国际脉冲星导航相关组织的国际标准化活动；另一方面，联合脉冲星导航技术领先国家，发起成立技术性国际组织 “脉冲星导航协调委员会”，负责国际脉冲星导航研究、合作与交流的协调，以及脉冲星导航国际标准的编制。

4.6 大力推进脉冲星导航专利标准化

习近平总书记将实施自主品牌、知识产权和标准称之为自主创新的三大战略，要求大力推进专利标准化。专利代表 “私权”，标准代表 “公权”。要实现专利标准化，就必须解决好 “私权”和 “公权”之间的关系。不同的标准化组织为解决这一矛盾，制定了标准涉及专利的政策。

为了推进脉冲星导航专利标准化，在政策方面，要深入研究其技术和产品市场所遵循标准涉及专利的政策；在机制方面，要加强专利和标准的规划的联动性，围绕脉冲星导航关键技术和产品建立专利池，围绕专利池建立相应的标准群。

标准化工作既是脉冲星导航领域市场化和产业化的基础性工作，也是战略性工作，对于整个行业的发展具有引领作用。随着脉冲星导航技术的快速发展和工程应用的深入推进，标准作为技术法规将在其中发挥着越来越重要的作用。

在工程的预研阶段就开始考虑标准化，对推动整个工程建设具有重要意义。开展脉冲星导航领域的标准体系建设并制定一套完善的标准，一方面可以通过标准建立行业准入门槛、统一产品的验收要求，从而规范整个行业的发展；另一方面还可以通过标准规范不同产品之间的接口，从而缩短产品的研制周期，使得企业可以把更多的经费和精力放在技术的创新上。开展脉冲星导航领域的标准国际化研究和专利标准化研究可以进一步提升我国在该领域的国际影响力，尤其是在工程研制初期，把标准与专利捆绑起来，通过制定国际标准来推广我国的相关技术和产品，更有利于我国主导未来该领域的国际合作。脉冲星导航领域的标准化是一项复杂的系统工程，需要考虑型号研制的实际情况、国际合作的需求以及技术发展的趋势；同时相关标准的规划和制定也是一个逐步完善的过程，需要根据新技术、新专利、新产品、新需求的出现对标准体系进行修订和优化。本文所提建议可以作为我国未来开展脉冲星导航领域标准工作的参考。

［1］帅平，李明，陈绍龙，等．X射线脉冲星导航系统原理与方法［M］．北京：中国宇航出版社，2009．

［2］周城宏，钱卫平，郭军海，等．脉冲星导航发展概要［J］．南京信息工程大学学报．2015（3）.

［3］国务院．国家中长期科学和技术发展规划纲要 （2006－2020年）［M］．2006.

［4］中共中央，国务院．国家创新驱动发展战略纲要［M］．2016．

［5］ 国务院．深化标准化工作改革方案［M］．2015．

［6］ 质检总局，国家标准委，工业和信息化部．装备制造业标准化和质量提升规划［M］．2016．

彭洪江 （1970年—），男，管理科学与工程专业，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天器及其应用领域标准化、标准体系建设、标准化战略、标准研究与制定、标准信息化、标准国际化和企业标准化管理等。