《Acta Astronautica》：Pulsar selection criteria and performance evaluation of autonomous X-ray pulsar navigation systems
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为解决XNAV中测量噪声估计理想化、脉冲星筛选标准单一等问题，研究者开展了基于实观测数据的脉冲星筛选与导航性能评估研究，得出高流量脉冲星精度高但稳定性差、毫秒脉冲星适合长期自主导航等结论，对深空探测自主导航系统设计具有重要意义。
在人类探索宇宙的步伐不断加快的今天，越来越多的航天器飞向太阳系深处乃至更遥远的空间。然而，传统的航天器导航方式在很大程度上依赖地面的支持：近地轨道航天器可以借助全球导航卫星系统（GNSS，如GPS）实现高精度定位，但GPS信号无法覆盖深空；深空探测器则依赖庞大的地面深空测控网，不仅通信延迟随距离增加而增加，在日凌期间还会面临长达数十天的通信中断，且地面设施在极端情况（如冲突、故障）下极易受到影响。在这样的背景下，不依赖地面设备、能够实现长时间自主运行的航天器自主导航技术，成为了航天领域的研究热点。
X射线脉冲星导航（XNAV）便是这样一种极具前景的自主导航方案。脉冲星是高速旋转的中子星，其沿磁轴发射的X射线束会随着星体自转扫过空间，当航天器接收到这种极其稳定的周期性脉冲信号时，仿佛看到了宇宙中的“灯塔”。由于X射线光子易于小型探测器接收且受星际介质影响小，XNAV系统只需搭载一个较小的X射线探测器，便能通过测量脉冲到达时间（TOA），解算出航天器在太阳系质心（SSB）坐标系下的位置与速度。不过，并非所有的脉冲星都适合用来导航。以往的XNAV研究往往简化地只选用流量最大的蟹状星云脉冲星（Crab pulsar），且多采用基于信噪比（SNR）或克拉美-罗下界（CRLB）的理论公式来估计测量不确定度，忽略了真实观测中的仪器与环境效应；同时在脉冲星筛选时，常忽视几何构型、可见性、长期计时稳定性等关键因素。究竟该如何科学地筛选脉冲星？不同特性的脉冲星组合会对导航性能产生什么影响？这正是本研究要回答的核心问题。
为了系统解决上述问题，Sui Chen、Emilie Parent、Nanda Rea及Francesco Topputo 开展了一系列研究，并在《Acta Astronautica》上发表了成果。研究人员摒弃了纯理论的分析模式，转而采用基于实际观测数据的评估方法。他们选用了NASA的中子星内部组成探测器（NICER）任务获取的公开X射线观测数据，重新缩放以匹配小型星载X射线探测器（有效面积200 cm2）的性能。研究首先对比了传统分析方法和观测基方法在测量不确定度估计上的差异；接着，系统分析了脉冲星几何配置（在RTN轨道坐标系下的投影）、太阳约束及地球阴影带来的可见性问题、以及脉冲星计时模型外推的长期稳定性这三大筛选准则；最后，研究人员利用扩展卡尔曼滤波（EKF）作为导航滤波器，分别在地球到木星转移轨道（星际转移）和600 km高度低地球轨道（LEO）卫星两个场景下，测试了不同脉冲星组合（如包含Crab的组合与仅用毫秒脉冲星MSP的组合）的导航精度与滤波器收敛性。
具体的研究结果可归纳如下：
脉冲星测量不确定度的观测基评估
以往常利用SNR公式或CRLB理论下界来估算XNAV的测距精度。但研究发现，这些理论方法存在明显缺陷：它们假设只要观测几分钟就能获得有效信号，但实际上对于低流星的脉冲星，短时间观测的光子数过少，无法形成可匹配的脉冲轮廓；且理论值与基于NICER真实数据模拟出的观测基不确定度并不呈简单的线性或偏移关系，各脉冲星的差异方向也不一致。因此，采用真实观测数据导出的测量噪声，才能更真实地反映星载系统的性能。此外，研究还发现，对于慢自转的脉冲星（如周期较长的Crab和B1509-58），即便相位测量误差较小，换算成距离误差时也会因周期较大而放大。
脉冲星筛选准则分析
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几何构型：在RTN（径向-横向-法向）轨道坐标系中，单颗脉冲星的方向投影会随航天器位置变化，导致不同方向的定位误差动态变化。选择空间分布合理、几何构型互补的多颗脉冲星组合，才能在全轨迹上保证三个空间方向的定位灵敏度均衡。
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可见性约束：一是太阳约束，当脉冲星方向与太阳的夹角小于探测器视场（FOV，如40°）时，太阳光会淹没X射线信号，导致暂不可见，这在星际转移轨道中影响显著；二是地球阴影，在LEO轨道中，当地球遮挡了脉冲星方向时也会造成信号中断。筛选脉冲星时需确保任务周期内至少有足够的脉冲星始终或轮动可用。
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计时稳定性：利用脉冲星计时模型（Timing Model）预测相位是XNAV的基础，但模型参数存在不确定性，外推时间越长误差越大。年轻的脉冲星（如Crab）自转不稳定，计时噪声大，其相位预测误差在外推约20天后便急剧增长；而毫秒脉冲星（MSP，如J0437-4715）年龄老、自转周期短且稳定，即便长期外推也能保持相位预测精度，适合长期无更新的自主导航。
XNAV系统性能评估
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地球-木星星际转移场景：筛选出行星转移中全程可见且稳定的脉冲星进行组合测试。包含Crab脉冲星的组合（组合#1）达到了最高的导航精度，位置误差低于20 km，但约20天后EKF滤波器便因Crab的计时模型误差发散而失稳；若换用全毫秒脉冲星组合（组合#2、#3），虽然稳态位置误差增至约30~85 km，但滤波器在365天的仿真中始终保持收敛，可实现长期自主导航。
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LEO卫星场景：同样测试了多组脉冲星组合。包含Crab的组合（组合#1）位置误差低于7 km，表现最优；不含Crab、全由稳定毫秒脉冲星组成的组合（组合#2、#3）位置误差在5~12 km左右，虽精度稍逊，但无需频繁更新地面计时模型，鲁棒性更强。
综合上述研究结论与讨论，该研究清晰地揭示了XNAV中脉冲星选择的“精度-自主性”权衡（Trade-off）核心问题：以Crab为代表的年轻亮脉冲星，能在短期内借助高光子流量实现极高导航精度，但受限于较差的计时稳定性，必须约每20天由地面更新一次计时模型，否则滤波器会发散；而以毫秒脉冲星（MSP）为代表的老年龄脉冲星，虽然单星流量较低导致瞬时精度稍差，但拥有极佳的长期计时稳定性，可使航天器在没有地面干预的情况下维持长达数年的自主导航能力，仅精度维持在数公里至数十公里级。
这项研究的重要意义在于，它突破了以往单纯依赖理论SNR或CRLB分析XNAV的局限，首次系统性地将几何构型、可见性、计时稳定性与基于真实NICER观测数据的测量噪声模型结合，为工程实践中的脉冲星筛选提供了切实可行的多维评估框架。相关成果已发表在航天工程与空间科学领域的权威期刊《Acta Astronautica》，将为未来深空探测、星际转移及自主运行航天器的导航系统设计与脉冲星源选择提供关键的理论依据与数据支撑。
