本项目面向深空自主导航应用，属于天文学、仪器科学与技术、控制科学与工程等前沿交叉领域，来源于科技创新计划（高校重大科技创新平台建设）、×××预先研究计划、国家自然科学基金、科技部重点实验室课题等项目。

陕西省“十三五”战略性新兴产业发展规划，明确布局深空探测等重大专项，重点发展卫星通信和导航相关领域，提升航天技术水平和竞争力。深空探测是人类不懈的追求，随着探测距离越来越远，现有基于深空网络的定位技术，遭遇了通信时延明显增加和定位精度显著下降的应用瓶颈。

X射线脉冲星是稳定自转的中子星，被誉为人类宇宙航行中的“灯塔”。利用X射线脉冲星进行导航可为航天器提供全源导航信息，是现阶段解决自主导航问题最有效的技术途径。为有效地降低在轨验证的技术风险和经济成本，开展地面验证是X射线脉冲星导航（X-ray Pulsar Navigation, XPNAV）的前提与关键，具有重要意义。

本项目实现了具有多物理特性的、动态实时X射线脉冲星光子信号生成及导航技术，为XPNAV研究提供了重要的技术途径、数据支撑和平台支撑。主要技术内容如下：

（1）具有天地一致性的X射线脉冲星光子信号产生方法

脉冲星具有极其稳定的自转周期和脉冲轮廓，距离地球数百甚至上千光年，探测器获取的辐射信号为微弱的光子流。此外，探测器和脉冲星都处于不断运动之中，为了达到天地一致性模拟效果，必须准确地再现脉冲星自转特性、轨道动态特性、大尺度时空下信号传播及航天器运动等特性。

为实现这一模拟目标，本项目首次开创性地提出：1）基于频率合成的任意波形控制和基于光学负反馈的高精度脉冲星光子流率控制技术，再现了X射线脉冲星光子的物理泊松过程；2）具有多物理特性的在轨脉冲星信号模拟方法，为脉冲星导航在轨验证提供了全面有效的技术手段。

（2）极低信噪比下高精度实时X射线脉冲星导航信号处理

受限于X射线脉冲星信号流量密度、强噪声及具体导航任务对观测时间和探测器面积的限制，X射线脉冲星信号信噪比极低。为提高导航精度，必须突破现有理论框架，深入挖掘信号和噪声特性, 以解决在短时间内提取高精度导航观测量的难题。

本项目提出多谱联合估计和信息扩维的新思路，将观测时间压缩为传统方法的1/10，突破了经典统计算法的理论下界，实现了分钟级观测时间下μs量级的脉冲时延估计技术，具备km级定位能力，为在轨数据处理及高精度导航提供了技术支撑。

（3）X射线脉冲星导航实验地面验证系统

导航实验地面验证系统，需要集成面向在轨应用的脉冲星光子信号产生、单星序贯导航、多星实时在轨导航验证等功能，以支撑月球探测、太阳系内行星探测、小行星探测等任务自主导航应用的开展。本项目通过采用多模式信号合成、多级信号传输控制等技术，形成了X射线脉冲信号模拟和导航算法扩展验证的闭环实验系统。

本项目深入研究面向在轨验证的X射线脉冲星光子信号生成及导航技术，取得了如下4项主要技术发明点：

（1）发明了一种高时频稳定度的脉冲星辐射的光子信号产生方法。开创性地提出基于频率合成的任意波形控制和基于光学负反馈的高精度脉冲星光子流率控制技术，实现了自转频率和脉冲轮廓的稳定控制，大幅提高了X射线脉冲星信号的模拟效果，将模拟的自转周期的稳定度从现有的 10⁻⁴ 提高到 10⁻⁹ ，观测脉冲轮廓与标准脉冲轮廓的相关系数达到了0.999以上。系统地建立了脉冲星信号模拟的新方法，为XPNAV地面实验模拟与验证，提供关键的技术支撑。

（2）发明了一种具有多物理特性的在轨脉冲星信号模拟方法。考虑了脉冲星自转减缓的物理特性，脉冲星和航天器运动的动态特性，以及信号传播的大尺度时空效应，提出了大尺度时间转换的仿真模型和基于正向求解的脉冲星信号实时模拟技术，解决脉冲星信号的多物理特性和动态特性模拟的难题。

（3）发明了一种信息增强的X射线脉冲星高精度导航信号处理方法，针对导航基本观测量估计精度低的问题，提出了一种全新的轮廓重构方法，有效的提升了观测信噪比，将观测时间压缩为传统方法的1/10；同时，利用航天器位置的机遇信息，创造性地提出一种最大后验估计算法，超越了经典统计算法的理论下界，相同观测时间下精度提升了30%。两种方法的结合有效地提高脉冲星在地球轨道的观测效率及导航精度，能够显著提升我国的脉冲星在轨观测和导航能力。

（4）发明了一种多模实时高精度X射线脉冲星导航实验地面验证系统。针对现有脉冲星信号地面实验系统仅支持单通道、静态信号输出，不具备多物理特性、轨道动态特性、大尺度时空效应和多颗脉冲星信号同时输出的问题，基于前述三种方法，设计并实现了航天器处动态、实时、高精度、具有多物理特征的多星信号模拟，通过采用多模式信号合成、多级信号传输控制等技术，形成X射线脉冲信号模拟和导航算法扩展验证的闭环实验系统，提供了动态、可调、连续有效的导航算法验证平台，能够支撑XPNAV 的在轨数据处理算法验证和导航验证。

本项目获发明专利授权近20项，核心发明专利授权10项，软件著作权3项。依托本项目发明，获批相关科研项目6项，总经费3402万元。依托本项目发明的高精度信号产生、处理及验证技术，围绕“觅音”计划卫星编队的实时自主测量这一基础性问题，获批了JKW基础加强项目，总经费3000万元。

本项目已经被多家研究所应用，特别是应用于我国的慧眼空间望远镜（HXMT）、第一颗X射线脉冲星导航实验卫星（XPNAV-1）/脉冲星试验01星工程，取得了良好的应用效果，具体应用情况如下：

（1）在HXMT工程中，本项目发明成果应用于中国科学院西安光学精密机械研究所研制的空间X射线观测地面验证系统，为HXMT工程的研发和实验工作提供了重要的支持和保障，确保了望远镜的性能和稳定性；

（2）在XPNAV-1工程中，本项目发明成果应用于航天科技集团五院钱学森空间技术实验室抓总研制的脉冲星导航地面试验系统平台，支撑了脉冲星导航试验卫星工程任务的实施，获取了大量科学试验数据和成果，取得了良好的经济效益和社会效益；

（3）在脉冲星试验01星工程中，本项目发明成果应用于山东航天电子技术研究所的X射线脉冲星信号处理中，为X射线脉冲星实测数据处理和在轨导航应用提供了重要的支撑。