X 射线脉冲星导航空间试验进展与展望

郑伟，王禹淞，姜坤，王奕迪，*

1.国防科技大学 空天科学学院，长沙 410073

2.北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094

随着航天技术的不断进步，深空探测逐步成为航天活动的热点之一，世界各国都制定了长远的深空探测发展规划［1-2］。目前，深空探测器的导航服务主要通过以美国深空网（Deep Space Networks，DSNs）为代表的地面测控 系统提供［3］。但是，该类导航方法的导航精度随着深空探测器远离地球而逐渐降低［3］。通常情况下，深空探测器每远离地球一个天文单位，深空网的定位误差约增大4 km［4］。在冥王星轨道上，深空网的定位误差将增长到±200 km 左右［5］。此外，深空网提供导航服务的实时性较差（在冥王星轨道附近，信息往返地球的时间超过10 h），无法满足交会飞越、下降着陆等任务阶段对导航的实时性需求［1］。因此，自主导航能力对于降低深空探测器对地面测控系统的依赖和提高其自主生存能力具有重要意义。

目前，基于光学的自主导航系统已发展成熟并成功应用于各类深空探测任务［6-7］。然而，该类方法只有在深空探测器的接近段、环绕段和着陆段等接近天体的飞行阶段有效［8-9］。因此，目前仍然没有适用于深空探测器巡航段的自主导航方法［3］。

X 射线脉冲星导航（X-ray pulsar-based Navigation，XNAV）技术是一种有发展潜力的航天器自主导航技术。脉冲星是一种快速旋转的中子星，是大质量恒星在其寿命末期的产物。脉冲星的自转轴与磁轴不重合，其2 个磁极向外辐射电磁辐射束［10］。由于脉冲星的自转，航天器会周期性地接收到来自脉冲星的电磁信号，就如同船只接收来自海岸灯塔的信号一样。因此，脉冲星也被称为“宇宙中的灯塔”［3］。此外，脉冲星均位于太阳系外，并且其位置可以提前测定，因此脉冲星导航可在太阳系内获得一致的导航精度。相比于地面深空网，X 射线脉冲星导航可使深空探测器降低对地面测站的依赖，避免地基导航服务的巨大时延；相比于基于光学的自主导航方法，X 射线脉冲星导航在深空探测的巡航段、接近段和环绕段等多个飞行阶段均可使用，适用范围广。因此，X 射线脉冲星导航为深空探测器自主导航，尤其是深空巡航段的自主导航提供了全新的思路。

X 射线脉冲星导航的概念最早提出于20 世纪80 年代［11］。经过几十年的发展，X 射线脉冲星导航技术逐渐从理论研究转向技术可行性试验研究和针对未来工程应用的关键技术攻关。近些年，国内外已完成了多次X 射线脉冲星导航空间试验，成功验证了X 射线脉冲星导航的可行性，为该技术的进一步工程化应用积累了宝贵经验。本文对国内外已开展的X 射线脉冲星导航空间试验中所使用的信号处理与导航算法以及X射线探测终端进行综述，总结了目前国内脉冲星导航空间试验存在的不足。最后，结合国内外空间试验的进展情况和未来工程应用的需求，对脉冲星导航空间试验的未来发展进行了展望。

1 国内外脉冲星导航空间试验概述

1.1 NICER 导航试验

2017 年6 月，美国的中子星内部组成探测器（Neutron Star Internal Composition Explorer，NICER）被部署在国际空间站上［12］。NICER 是美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的天体物理项目，其核心任务是通过在软X 射线（0.2～12 keV）波段的观测研究中子星的内部组成、动力学过程、辐射机制等科学问题［12］。NICER 示意图如图1所示［13］。

图1 NICER 示意图［13］Fig.1 Schematic diagram of NICER［13］

除了核心科学任务之外，NICER 还有一项技术演示增强项目，名为SEXTANT（Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology）［14］。该项目是由NASA 戈达德空间飞行中心航天技术任务局游戏变更开发计划办公室资助的［12］，目标是通过2 周的脉冲星观测，在轨、实时演示脉冲星导航技术，并且在任意方向上获得优于10 km 的导航精度［12］。

在2017 年11 月10 日—15 日的空间试验中，通过观测PSR J0437-4715、PSR B1821-24、PSR J0030-0451 和PSR J0218-4232 共4 颗脉冲星，SEXTANT 系统在国际上首次实现了脉冲星导航的在轨试验，取得了优于10 km 的导航精度［12，15］。SEXTANT 任务的成功，在脉冲星导航技术发展历程中具有“里程碑”式的意义，标志着脉冲星导航技术已初步具备从理论研究走向实际工程应用的能力。SEXTANT 空间试验结果如图2 所示［15］，蓝线为脉冲星导航的定位误差RSS（Root Sum Square，各方向误差平方和的平方根）、红线为3σ线、紫线为无脉冲星观测的定位误差。

图2 SEXTANT 空间试验结果［15］Fig.2 Results from SEXTANT space experiment［15］

1.2 POLAR 导航试验

2016 年9 月，中国的“天极望远镜”——伽玛射线暴偏振探测器（POLAR）随天宫二号（Tiangong-2，TG-2）空间实验室发射升空［16］。该探测器由中国、瑞士、波兰等合作研制，主要用于伽马暴的偏振测量。图3 展示了安装在天宫二号上的POLAR 探测器［17］。

图3 安装在天宫二号上的POLAR［17］Fig.3 POLAR installed on TG-2［17］

2017 年，中国科学院高能物理研究所的研究团队利用POLAR 在2017 年1 月4 日—2 月3 日共31 天的观测时间段内对Crab 脉冲星（PSR B0531 +21）的观测数据，开展了利用单颗脉冲星的定轨试验，初步验证了脉冲星导航的可行性［16］。图4 为POLAR 空间试验结果，图中给出了χ2（卡方）统计量随轨道参数偏移量的变化情况，蓝色点为不同参数的计算结果，红色线为最优值拟合结果［16］。

图4 POLAR 空间试验结果［16］Fig.4 Results from POLAR space experiment［16］

1.3 脉冲星导航试验01 星

2016 年11 月，中国的脉冲星导航试验01 星（X-ray Pulsar-based Navigation-1，XPNAV-1）发射成功并运行于太阳同步晨昏轨道［18］。XPNAV-1 的主要科学试验任务为：①在空间环境下验证时间分辨软X 射线光谱仪（Timeresolved Soft X-ray Spectrometer，TSXS）和高时间分辨率光子计数器（High Time-resolution Photon Counter，HTPC）2 种探测终端的性能，研究宇宙背景噪声及探测终端响应机制；②探测Crab 脉冲星或脉冲双星，提取脉冲星轮廓，解决用国产X射线探测终端“看得见”脉冲星的问题；③长时间观测脉冲星，验证脉冲星导航体制［18-19］。图5 展示了脉冲星导航试验01 星［20］。

图5 脉冲星导航试验01 星［20］Fig.5 XPNAV-1［20］

XPNAV-1 在轨实现了对Crab 脉冲星以及PSR B1617-155、PSR B1758-250、PSR B1813-140、GRO J1744-28 等4 颗X 射线双星的长期观测，完成了预定的科学目标［18］。基于XPNAV-1的观测数据，研究人员实现了Crab 脉冲星的精化计时模型构建、周期跃变监测以及初步的导航性能分析，为脉冲星导航技术发展和进一步的空间试验积累了宝贵经验［18-19，21］。图6 给出了XPNAV-1 的脉冲星导航试验结果，其中，上图表示仅轨道外推时的位置误差，中间的图表示控制点的时间，下图表示在控制点处进行轨道修正后的定位误差［21］。

图6 XPNAV-1 空间试验结果［21］Fig.6 Results from XPNAV-1 space experiment［21］

1.4 “慧眼”天文卫星导航试验

2017 年6 月15 日，中国首颗空间X 射线天文卫星——“慧眼”硬X 射线调制望远镜（Insight-Hard X-ray Modulation Telescope，Insight-HXMT）发射成功［22］。“慧眼”卫星的主要科学目标为：①扫描银河系平面，寻找新的瞬变源和监测已知的可变源；②在宽能区范围内观测X 射线脉冲双星，并研究其在强引力场或强磁场中的动力学和辐射机制；③监测和研究伽玛射线暴［23］。图7 给出了“慧眼”天文卫星（HXMT）的示意图［24］。

图7 “慧眼”天文卫星［24］Fig.7 HXMT［24］

“慧眼”卫星搭载了HE（High Energy）、ME（Medium Energy）、LE（Low Energy）3 台X 射线探测终端（详见第3 节），探测能段宽、几何面积大，为脉冲星导航空间试验提供了条件。中国科学院高能物理研究所团队利用2017 年8月30日—9 月3 日期间的Crab 脉冲星观测数据，完成了脉冲星导航的地面解算，获得了精度优于10 km 的导航结果（如图8所示）［22］。

图8 “慧眼”卫星空间试验结果（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，中国科学院高能物理研究所的研究团队还与国防科技大学的研究团队合作，利用“慧眼”卫星 在2018 年10 月30 日—11 月1 日期间的Crab 脉冲星观测数据，分别使用“慧眼”卫星搭载的不同X射线探测器，完成了脉冲星导航的地面解算，也获得了精度优于10 km 的导航结果（如图9所示）［25］。

图9 “慧眼”卫星空间试验结果（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 空间试验使用的脉冲星在轨信号处理与导航定位方法

2.1 空间试验使用的脉冲星在轨信号处理方法

脉冲星在轨信号处理，指通过处理航天器在轨接收到的脉冲星光子到达时间（Time of Arrival，TOA），解算脉冲相位的过程。航天器在空间的轨道运动，会导致在轨接收到的脉冲星信号含有未知非线性时变的多普勒频率。而在脉冲星导航过程中，由于航天器的精确位置、速度未知，多普勒频率无法直接扣除。因此，脉冲星在轨信号处理的关键难点在于，如何在含有未知非线性时变多普勒频率的脉冲星光子到达时间序列中解算出脉冲相位。

在POLAR 和“慧眼”天文卫星的导航试验中，文献［16，22］均采用了基于轮廓显著性搜索定轨（Significance Enhancement of Pulse-profile with Orbit-dynamics，SEPO）的方法，该方法直接利用光子到达时间序列解算航天器的位置、速度，不需要计算脉冲相位。因此，基于SEPO 的方法不需要解决脉冲星在轨信号处理问题，但是该方法需要求解一个6 维的网格搜索问题，计算量大。

在XPNAV-1 的脉冲星导航试验中所使用的脉冲星在轨信号处理方法可称为“折叠-拟合-再折叠”法［21］。该方法首先将脉冲星的观测周期划分成若干小的时间间隔，并且假设航天器在每段时间间隔内作匀速直线运动，此时可认为每段时间间隔内的多普勒频率为常值。在时间间隔内，采用基于历元折叠的方法求解每个时间间隔内的脉冲相位和多普勒频率。因为XPNAV-1的轨道为近圆轨道，研究人员推导出：由于XPNAV-1 的多普勒频率所导致的相位偏差可表示为正弦函数。利用每个时间间隔内解算的脉冲相位和多普勒频率，可以拟合该正弦函数。最后，利用拟合的正弦函数，计算所有光子的相位，将所有光子进行历元折叠，解算出观测周期中点处的脉冲相位。然而，“折叠-拟合-再折叠”法需要假设航天器轨道运动能在间隔区间内高精度地近似为匀速直线运动。根据文献［3，26］的分析，该方法虽然实现较为简单，但不适用于处理近地轨道航天器观测的毫秒脉冲星数据。

SEXTANT 团队的在轨信号处理方法可称为轨道动力学辅助法。该方法将航天器轨道动力学模型引入脉冲星信号处理框架，获得了改进相位传播模型，而后通过极大似然法（Maximum Likelihood Estimation，MLE）估计脉冲相位和多普勒频率［14］。该方法由于没有对航天器的轨道进行近似，比XPNAV-1 所使用的相位跟踪法有更广泛的适用性。SEXTANT 团队使用该方法在轨完成了毫秒脉冲星信号处理。但是，该方法在处理Crab 等大流量脉冲星观测数据时，计算量较大，难以实现在轨计算。2016 年，国防科技大学的研究团队与SEXTANT 团队相对独立地提出了轨道动力学辅助法［27］，并进一步提出在轨历元折叠［28］、智能优化辅助［29］等方法提升计算速度，可在保证精度的前提下大幅降低计算复杂度，为在轨实时计算提供支持。

综上，目前空间试验中所使用的“折叠-拟合-再折叠”法和轨道动力学辅助法均可解决在从含有未知非线性时变的多普勒频率的光子到达时间序列中估计脉冲相位的问题。但是，“折叠-拟合-再折叠”法基于航天器轨道运动满足分段线性假设，不适用于处理近地轨道航天器接收的毫秒脉冲星数据；轨道动力学辅助法适用范围较广，但是在处理Crab 脉冲星等大流量脉冲星数据时存在计算量较大的问题。

2.2 空间试验使用的脉冲星导航定位方法

基础的脉冲星导航方法与卫星导航类似，航天器通过处理接收到的一系列脉冲星光子到达时间，通过信号处理算法解算出脉冲相位，进而获得脉冲TOA。同时，利用事先建立好的脉冲星信号的时间相位模型，可以推算出脉冲到达太阳系质心（Solar System Barycenter，SSB）的TOA。2 个TOA 之差，即反映了在脉冲星方向上航天器与SSB 之间的距离，航天器通过同时或者序贯观测多颗脉冲星，利用Kalman 滤波等算法即可确定自身的位置速度等状态信息。在已经完成的脉冲星导航空间试验中，研究人员均根据实际情况，对基本的脉冲星导航方法进行了一定改进。

在美国SEXTANT 团队的导航试验中，直接将在轨信号处理中解算的脉冲相位和多普勒频率作为测量量，使用GEONS（Goddard Enhanced Onboard Navigation System）导航滤波器，实现了km 级精度的脉冲星导航［14］。此外，在空间飞行试验中，脉冲星光子到达时间是通过高精度的GPS时（Global Positioning System Time）记录的，并未实现考虑星载原子钟存在钟差情况下的脉冲星导航性能验证。在SEXTANT 后续的地面试验中，研究人员使用晶体振荡器模拟钟差，并且推导了考虑钟差、钟差变化率以及常值测量误差的扩展测量模型［30］。使用该扩展模型，SEXTANT 团队在导航性能几乎不受影响的情况下成功实现了钟差的精确估计［30］。

受探测终端有效面积和探测体制的限制，中国的POLAR、XPNAV-1 和“慧眼”卫星当前仅能完成对Crab 脉冲星的较高质量观测。因此，国内的脉冲星导航空间试验均设计了基于单脉冲星观测的导航方法。在XPNAV-1 的导航试验中，研究人员将脉冲星观测周期的中点称为控制点；在控制点处通过在轨信号处理解算出脉冲相位，而后通过与SSB 处的预估脉冲相位进行对比，获得航天器相对于SSB 在脉冲星方向上的测距信息；在相邻的控制点之间，通过解析的航天器轨道外推模型解算航天器的位置速度；在控制点处，通过脉冲星方向上的测距信息，对轨道进行修正［21］。在POLAR 和“慧眼”卫星的导航试验中，研究人员均使用了SEPO 方法［16，22］。该方法利用航天器的预估轨道信息将航天器接收到的光子到达时间进行质心修正，利用质心修正后的光子到达时间序列恢复脉冲轮廓，对恢复的脉冲轮廓进行显著性分析。预估轨道的误差越大，则恢复轮廓的显著性越低。因此，SEPO 将航天器的6 个轨道根数作为参数空间，在参数空间内对恢复的脉冲星轮廓进行显著性分析，进而获得最优的轨道根数。

近些年，国内许多学者也利用了XPNAV-1和“慧眼”卫星的观测数据进行了脉冲星导航地面解算。文献［31］使用“慧眼”卫星的观测数据，利用在轨信号处理解算的脉冲相位和多普勒频率进一步解算出脉冲星方向上的测距信息，而后使用Kalman 滤波算法解算航天器位置、速度，获得了优于10 km 的导航结果，与文献［22］精度一致。文献［32］使用XPNAV-1 的观测数据，观测量选取为利用脉冲相位解算的测距信息，在无脉冲星观测时采用轨道外推计算航天器位置、速度，在有脉冲星观测时采用Kalman 滤波算法解算航天器位置、速度。但是，由于XPNAV-1 搭载的X 射线探测终端有效面积较小，在文献［32］处理的15 组实测数据中，仅有4 组数据获得了误差为10 km 左右的导航结果，其余数据的导航结果不佳［32］。

此外，由于Crab 脉冲星流量较大，航天器接收到的光子数据量大，导致在轨信号处理的计算量远超星载计算平台的计算能力。因此，POLAR、XPNAV-1 和“慧眼”卫星的空间试验均未在轨实现脉冲星信号处理和导航解算。为此，文献［25］提出基于在线计时的脉冲星信号处理及导航方法。该方法推导了反映脉冲相位及多普勒频率与航天器状态之间关系的在线计时模型，并依据此将脉冲相位、多普勒频率和航天器的状态一起进行迭代估计。研究人员利用该方法处理“慧眼”卫星和NICER 探测器的Crab 脉冲星实测数据，同样取得了优于10 km 的导航结果［25］，且计算成本大幅降低，具备实现在轨实时解算的潜力。

表1 总结了脉冲星导航空间试验所用的在轨信号处理与导航定位方法。结合前文的分析，可以看出，中国目前完成的脉冲星导航空间试验，均根据任务的特点设计了脉冲星导航定位方法，成功验证了脉冲星导航的原理和性能。但是受星载计算能力的限制，暂未在轨实现利用Crab 等大流量脉冲星的导航试验和星载原子钟钟差修正试验。

表1 脉冲星导航空间试验所用的在轨信号处理与导航定位方法Table 1 On-orbit signal processing and navigation methods used in pulsar navigation space experiments

3 空间试验使用的X 射线探测终端

X 射线探测终端是航天器观测脉冲星的“眼睛”，是脉冲星导航的核心载荷，其主要包含2 部分：用于收集X 射线光子的前端光学系统和用于记录X 射线光子的光电转换器件。表2 总结了脉冲星导航空间试验所使用的X 射线探测终端。

表2 脉冲星导航空间试验所使用的X 射线探测终端Table 2 X-ray detectors used in space experiments on pulsar navigation

NICER 的X 射线探测终端是由56 个相同的探测器模块组成。探测器模块的前端为单次反射的掠入射聚焦型光学系统，后端为硅漂移探测器（Silicon Drift Detector，SDD）［33］。NICER 探测器的总有效面积约1 800 cm2@1.5 keV（总几何面积约6 400 cm2），时间分辨率100 ns，探测能区为0.2～12 keV［13，33］。此外，NASA 于2019 年将调制X 射线源（Modulated X-ray Source，MXS）安装于国际空间站，并计划利用MXS 与NICER 共同开展X 射线通信的在轨演示验证。如果项目成功，将为X 射线探测终端带来更加广阔的应用前景［34］。

POLAR 的主要任务是探测伽马射线暴偏振，其前端光学系统为准直型光学系统，后端为塑料闪烁体［35］。POLAR 可探测能量在15～500 keV范围内的X射线光子，有效面积约200 cm2，具备一定的X 射线脉冲星观测能力［16］。

XPNAV-1 卫星搭载了2 种X 射线探测终端：TSXS 和HTPC［19］。TSXS 的前端 为单次反射的掠入射聚焦型光学系统，后端为SDD［18-19］。TSXS 的时间分辨率优于1.5 μs［18］，总有效面积为2.3 cm2@1.5 keV（总几何面积约30 cm2）［21］，探测能区为0.5～10 keV［18］。HTPC 的前端为X射线微孔光学系统，后端为微通道板（Microchannel Plate，MCP）探测器，时间分辨率约为100 ns，探测能区为1～10 keV，总几何面积约1 200 cm2［18］。

“慧眼”卫星搭载了3 台X 射线望远镜：高能X 射线望远镜（HE）、中能X 射线望远镜（ME）和低能X 射线望远镜（LE），3 台望远镜的前端均为准直型光学系统［22］。HE 的后端为NaI（Tl）/CsI（Na）复合闪烁体，其探测能区20～250 keV，总几何面积约5 000 cm2［36］。ME 的后端为Si-PIN 探测器，其探测能区为5～30 keV，总几何面积约为952 cm2［22，37］。LE 的后端为扫描电荷器件（Swept Charge Device，SCD）探测器，其探测能区1～15 keV，总几何面积约为384 cm2［38］。

4 国内脉冲星导航空间试验的不足

目前为止，国内共完成了3 次脉冲星导航空间试验，均圆满实现了试验目标。并且，利用“慧眼”卫星实测数据的脉冲星导航地面解算结果与美国脉冲星导航空间试验的导航结果取得了一致的精度。但是，中国脉冲星导航试验还存在以下2 点差距。

一是中国X 射线探测终端目前不具备毫秒脉冲星观测能力。受探测终端面积和探测体制的影响，目前中国在轨运行的X 射线探测终端仅能观测到Crab 等流量较大脉冲星。由于Crab 脉冲星相对年轻，其自转周期较慢且不稳定，时常发生周期跃变现象。相对而言，毫秒脉冲星的自转周期十分稳定。但是由于探测能力的限制，国内尚无法自主获取毫秒脉冲星观测数据，无法实现利用第一手的毫秒脉冲星实测数据进行脉冲星导航技术研究和验证，不利于脉冲星导航技术的进一步发展。

二是不具备脉冲星在轨信号处理与导航解算能力。目前，在中国的脉冲星导航空间试验中，脉冲星观测数据均需要下传至地面进行进一步的信号处理和导航解算，尚未实现在轨实时计算。为支持未来脉冲星导航在轨工程应用，在空间试验中在轨实现脉冲星信号处理与导航计算是十分重要的。因此，需要针对星载计算和存储环境特点，优化设计星载计算平台，研究更加高效的脉冲星在轨信号处理和导航解算方法，实现在轨解算。

5 脉冲星导航空间试验展望

5.1 需要解决的技术问题

目前，国内外已开展了多次脉冲星导航空间试验，成功验证了脉冲星导航的可行性。但是，面向未来的工程应用，仍需要解决以下3 方面的关键问题。

一是X 射线探测终端仍需增效降重。X 射线探测终端是脉冲星导航的核心载荷之一，现有的X 射线探测终端存在探测效率低、体积大、重量大的问题。由于脉冲星信号十分微弱，而X 射线探测终端探测效率低，为了实现高精度的脉冲星观测，通常需要提高探测终端面积。目前，美国的NICER 的总几何面积达6 400 cm2，“慧眼”卫星的高能X 射线望远镜的总几何面积也达到5 000 cm2（质量约400 kg），这对航天器的搭载能力提出了较高的要求。为了扩展脉冲星导航技术的应用范围，降低安装难度，需要研制更加轻便、高效的X 射线探测终端。

二是高精度的导航脉冲星数据库仍需完善。导航脉冲星数据库是实现脉冲星导航的基础，也是影响脉冲星导航精度的关键因素之一。脉冲数据库主要包含脉冲星计时模型、模板轮廓、角位置等。为构建高精度的导航脉冲星数据库，需要统筹地面射电、光学，空间X 射线等多波段的脉冲星观测设备，制订长期的观测计划。通过天地协同的长期观测，获取多波段脉冲星观测数据并进行综合处理，实现高精度的导航脉冲星数据库构建。

三是基于大流量年轻脉冲星的在轨实时导航计算仍需突破。年轻脉冲星的流量大，与毫秒脉冲星相比，仅需要较短时间的观测即可获得较高精度的脉冲到达时间，可大幅降低对探测终端的制造工艺和有效面积的要求。虽然美国SEXTANT 团队和“慧眼”卫星团队均开展了基于大流量年轻脉冲星的导航试验。但是，由于年轻脉冲星的数据量大，暂未实现在轨实时导航计算。因此，面向未来工程应用，需要突破基于大流量年轻脉冲星的在轨实时导航计算。

5.2 脉冲星导航空间试验设想

结合已完成的脉冲星导航空间试验情况以及未来脉冲星导航工程应用的需要，本文提出未来脉冲星导航空间试验设想如下。

一是对已有的X 射线探测终端进行优化升级。目前中国暂不具备X 射线毫秒脉冲星观测能力，有必要在现有方案的基础上对X 射线探测终端进行优化升级，支持实现在轨X 射线毫秒脉冲星观测和脉冲星导航实时解算。

二是积极探索新体制的X 射线探测终端方案。为了满足未来脉冲星导航在深空探测任务中的应用需求，必须要研制轻量化、低功耗的脉冲星导航终端。基于微孔光学（Micro Pore Optics，MPO）［39］的X 射线探测终端具有轻量化的潜力，并且已在中国的中国科学院空间新技术试验卫星（SATech-01）上实现了在轨验证［40］。因此，针对X 射线探测终端的轻量化需求，探索基于MPO 等新体制的X 射线探测终端方案，对推广脉冲星导航工程应用具有重要意义。

三是利用X 射线天文卫星开展脉冲星导航试验。近些年，中国计划发射“爱因斯坦探针（Einstein Probe，EP）”“增强型X 射线时变与偏振空间天文台（The enhanced X-ray Timing and Polarimetry，eXTP）”等X 射线天文卫星［41-42］。其中EP 卫星计划搭载的后随观测X 射线望远镜（Following-up X-ray Telescope，FXT）和eXTP卫星的光学聚焦望远镜阵列（Spectroscopic Focusing Array，SFA）、大面积准直型望远镜阵列（Large Area Detector，LAD）均在软X 射线能区具有较大的有效面积（FXT：120 cm2@1 keV，SFA：7 400 cm2@2 keV，LAD：3.4 m2@8 keV）［41-42］，具有很强的脉冲星观测能力。因此，可申请X 射线天文卫星的观测时间，利用其脉冲星数据开展脉冲星导航空间试验。

6 结论

近些年，脉冲星导航技术蓬勃发展，国内外先后开展了多次空间试验，验证了脉冲星导航技术的可行性，积累了宝贵的脉冲星观测数据。本文对脉冲星导航空间试验中使用的在轨信号处理与导航定位算法、X 射线探测终端进行了系统的梳理，分析了国内脉冲星导航空间试验与美国SEXTANT 任务的差距。最后，针对未来工程应用的需求，提出了脉冲星导航空间试验的未来发展方向。