近期，有網(wǎng)友對(duì)“脈沖星導(dǎo)航及其最終精度10米”發(fā)表其個(gè)人看法和相關(guān)評(píng)論。本人應(yīng)果殼網(wǎng)科學(xué)人專欄編輯的邀請(qǐng)，就導(dǎo)航及脈沖星導(dǎo)航的基本概念、脈沖星導(dǎo)航的可行性和最終導(dǎo)航精度指標(biāo)等問題進(jìn)行簡要講解。其目的是避免個(gè)別的偏見和觀點(diǎn)對(duì)廣大網(wǎng)友的誤導(dǎo)。
從廣義上講，導(dǎo)航是指按照預(yù)先的計(jì)劃和規(guī)定將運(yùn)動(dòng)體從起始位置及時(shí)、安全、高效地引導(dǎo)到達(dá)目的地的過程。所謂運(yùn)動(dòng)體，是指車輛、艦船、飛機(jī)和航天器等可移動(dòng)的人造物體，以及從人類本身擴(kuò)展到其它生物體的活動(dòng)行為。完整的導(dǎo)航過程包括路徑規(guī)劃、當(dāng)前位置、航跡偏差和偏差修正4個(gè)方面的內(nèi)容。從狹義上講，將測(cè)定運(yùn)動(dòng)體位置、速度、時(shí)間和姿態(tài)等參數(shù)的方法和技術(shù)統(tǒng)稱為導(dǎo)航。
脈沖星導(dǎo)航是以脈沖星輻射的X射線信號(hào)作為天然信標(biāo)，在太陽系質(zhì)心坐標(biāo)系下，通過測(cè)量脈沖到達(dá)時(shí)間和脈沖星方向矢量，航天器自主測(cè)定位置、速度、時(shí)間和姿態(tài)等參數(shù)的過程。由于脈沖星輻射的X射線只能在大氣層外空間才能探測(cè)到，因此脈沖星導(dǎo)航實(shí)質(zhì)上是針對(duì)大氣層外空間飛行的航天器的自主導(dǎo)航。同一個(gè)X射線脈沖信號(hào)到達(dá)航天器的時(shí)間可以用原子鐘記錄下來，而到達(dá)太陽系質(zhì)心的時(shí)間是能夠精確預(yù)報(bào)的。根據(jù)三角投影關(guān)系，并考慮到星載時(shí)鐘存在偏差，從而得到脈沖星導(dǎo)航基本方程（如圖1所示）。該方程有4個(gè)未知數(shù)，包括3個(gè)位置坐標(biāo)分量和1個(gè)時(shí)鐘偏差量。如果同時(shí)探測(cè)4顆脈沖星，那么就可以建立4個(gè)方程來求解4個(gè)未知數(shù)，這稱之為幾何定軌。實(shí)際上，在大氣層外空間的航天器是按照軌道力學(xué)規(guī)律飛行的，所以利用航天器軌道動(dòng)力學(xué)模型和導(dǎo)航濾波處理方法，每一個(gè)弧段僅需要探測(cè)1顆脈沖星，就可以確定航天器的位置和時(shí)間參數(shù)，這稱之為動(dòng)力學(xué)定軌。
考慮到脈沖星輻射的X射線信號(hào)（光子）流量較低，需要一定的信號(hào)積分時(shí)間，才能提取具有足夠信噪比的脈沖輪廓；脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度不如衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)間測(cè)量精度高；以及航天器同時(shí)攜帶多個(gè)探測(cè)器和跟蹤多顆脈沖星尚有一定的實(shí)現(xiàn)難度等因素，因而利用幾何定軌方法的航天器軌道測(cè)定精度較低。從實(shí)際工程應(yīng)用角度，一般采用動(dòng)力學(xué)定軌方法，這有利于提高導(dǎo)航參數(shù)估計(jì)精度；可以通過軌道力學(xué)模型實(shí)時(shí)外推計(jì)算航天器的軌道參數(shù)；毋需同時(shí)探測(cè)4顆以上脈沖星，每一個(gè)弧段僅需要探測(cè)1顆脈沖星。可見，脈沖星導(dǎo)航擁有一整套嚴(yán)密的理論推導(dǎo)和導(dǎo)航濾波處理方法。
在“脈沖星導(dǎo)航，精度10米？別逗了！”一文中，簡單地利用“脈沖到達(dá)時(shí)間殘差乘以光速”就得到所謂的“脈沖星導(dǎo)航不能逾越的固有精度”。這顯然是缺乏導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理的基本常識(shí)，是對(duì)脈沖星導(dǎo)航概念和原理的錯(cuò)誤理解。
脈沖星導(dǎo)航是利用脈沖星輻射的X射線信號(hào)為航天器提供自主導(dǎo)航信息服務(wù)。目前，國際公開的脈沖星數(shù)據(jù)大多為射電頻段觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及部分空間天文衛(wèi)星探測(cè)的X射線數(shù)據(jù)。由于這些數(shù)據(jù)并非是針對(duì)脈沖星導(dǎo)航應(yīng)用而專門探測(cè)的，因此利用其進(jìn)行導(dǎo)航分析計(jì)算，往往會(huì)得出片面的和悲觀的結(jié)論。
那么，在什么樣的條件下脈沖星導(dǎo)航精度可以達(dá)到10米呢？這就是數(shù)值試驗(yàn)的基本條件。在脈沖到達(dá)時(shí)間測(cè)量精度為0.1微秒，脈沖星計(jì)時(shí)模型精度為0.1微秒，到達(dá)時(shí)間轉(zhuǎn)換精度為0.1微秒，以及脈沖星角位置精度為0.1毫角秒的條件下，脈沖星導(dǎo)航精度就可以達(dá)到10米。在航天器長時(shí)間高精度自主導(dǎo)航應(yīng)用中，導(dǎo)航星座衛(wèi)星對(duì)實(shí)時(shí)軌道確定與時(shí)間同步精度的要求是最高的，分別為10米和1納秒水平。這就是10米精度指標(biāo)的應(yīng)用需求，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)研究意義。
依據(jù)上述數(shù)值試驗(yàn)條件，采用Walker 24/6/1導(dǎo)航星座構(gòu)形和反饋濾波處理方法，分析計(jì)算得到導(dǎo)航星座衛(wèi)星三維軌道誤差、徑向軌道誤差和時(shí)間同步誤差序列分別如圖2、圖3和圖4所示。通過方差統(tǒng)計(jì)分析得到，星座衛(wèi)星的三維軌道精度、徑向軌道精度和時(shí)間同步精度分別為10.02米（1σ）、1.45米（1σ）和0.74 納秒（1σ）。顧及星座衛(wèi)星軌道和時(shí)鐘誤差，計(jì)算得到基于X射線脈沖星的導(dǎo)航衛(wèi)星用戶測(cè)距誤差（URE）序列如圖5所示。URE是評(píng)定導(dǎo)航星座自主導(dǎo)航性能的關(guān)鍵性指標(biāo)。從圖中可以看到：URE值均小于6米，能夠滿足用戶導(dǎo)航定位應(yīng)用需求。
數(shù)值分析研究結(jié)果表明：脈沖星導(dǎo)航的最終精度可達(dá)到10米，以滿足導(dǎo)航星座長時(shí)間高精度自主導(dǎo)航應(yīng)用需求。
因而，在“脈沖星導(dǎo)航，精度10米？別逗了！”一文中所謂的“原則上和理論上就不存在脈沖星導(dǎo)航精度達(dá)到10米的可能性！”，顯然是一種缺乏理論依據(jù)和數(shù)值分析研究的個(gè)人偏執(zhí)和主觀臆斷。
脈沖星導(dǎo)航需要研究解決三大問題：一是脈沖星探測(cè)問題，需要研制超大面積的數(shù)據(jù)庫型探測(cè)器和輕型化的導(dǎo)航型探測(cè)器；二是星際航圖構(gòu)建問題，就是通過以主載荷為超大面積探測(cè)器的空間基準(zhǔn)星座組網(wǎng)探測(cè)，快速構(gòu)建滿足脈沖星導(dǎo)航工程應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)庫；三是大尺度導(dǎo)航問題，就是要在廣義相對(duì)論理論框架下解決如何實(shí)現(xiàn)彎曲時(shí)空的高精度導(dǎo)航問題，這是與基于經(jīng)典牛頓力學(xué)理論的地球空間衛(wèi)星導(dǎo)航的本質(zhì)區(qū)別所在。
這些問題目前尚未得到徹底解決，但是從航天技術(shù)發(fā)展的歷程來看，通過技術(shù)攻關(guān)研究都是可以解決的。上世紀(jì)50年代初期，蘇聯(lián)要研制人造地球衛(wèi)星，就有人認(rèn)為當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件不具備，并堅(jiān)決反對(duì)，說“發(fā)射衛(wèi)星，那是兒孫輩的事”。事實(shí)勝于雄辯，1957年蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星。
應(yīng)該指出，脈沖星導(dǎo)航技術(shù)研究的創(chuàng)新性強(qiáng)，難度大，既有機(jī)遇，也有挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，是一項(xiàng)長期發(fā)展的事業(yè)。脈沖星導(dǎo)航到底行不行，目前誰也不知道。因此，我們才要發(fā)射試驗(yàn)衛(wèi)星，從解決探測(cè)器的問題入手，進(jìn)而驗(yàn)證脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)體制的可行性，后續(xù)還需要做大量的研究工作。
X射線脈沖星之所以能用于航天器自主導(dǎo)航，看重的就是其長期的周期穩(wěn)定性。脈沖星時(shí)間系統(tǒng)具有如下基本特征：
（1）脈沖星的脈沖周期（自轉(zhuǎn)周期）具有很好的均勻性。
（2）脈沖星能夠連續(xù)長期自然地運(yùn)動(dòng)和輻射信號(hào)，在太陽系中任何時(shí)間和任何地方，都可以通過觀測(cè)數(shù)據(jù)處理來獲得穩(wěn)定的脈沖信號(hào)。
（3）脈沖星的脈沖到達(dá)時(shí)間和脈沖星時(shí)鐘均可用精確的數(shù)學(xué)模型來表達(dá)，具備一般學(xué)科的數(shù)學(xué)描述特征。
（4）借助輔助裝置使脈沖星時(shí)具有計(jì)數(shù)和顯示特征。
可見，脈沖星導(dǎo)航并非只有脈沖星作為時(shí)鐘的導(dǎo)航，脈沖星時(shí)鐘是沒有顯示裝置的，需要星載原子鐘來復(fù)現(xiàn)。可用原子鐘進(jìn)行時(shí)間間隔短期刻畫，而脈沖星時(shí)間用于長期校準(zhǔn)。
因而，在“脈沖星導(dǎo)航，精度10米？別逗了！”一文中所說的脈沖星計(jì)時(shí)模型的短期穩(wěn)定性問題，并非脈沖星導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)的根本性問題，從具體工程實(shí)施層面，可采取多種方案加以解決。
綜上所述，脈沖星導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)航天器的自主導(dǎo)航，最終精度可達(dá)到10米，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和科學(xué)研究意義。但是，脈沖星導(dǎo)航到底行不行，目前誰也不知道。
“實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。”只有通過脈沖星導(dǎo)航空間飛行試驗(yàn)，才能實(shí)測(cè)驗(yàn)證脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)體制的可行性，并通過長時(shí)間的努力，才能達(dá)到最終的精度指標(biāo)。
聯(lián)系客服
