自主 X 射线脉冲星导航系统的脉冲星筛选准则与性能评估

当前空间任务主要依赖地球基于的导航、控制（Guidance, Navigation, and Control, GNC）系统，涉及人类在环操作。基于 X 射线脉冲星的导航提供了一种可行的替代方案，通过利用脉冲星发出的高度精确的周期性 X 射线来实现完全自主的状态估计。本研究对影响整体导航性能的脉冲星筛选准则进行了全面分析。利用 NICER 任务的观测数据，推导出测量噪声的真实估计。将关键任务级约束，包括脉冲通量、脉冲星可见性、几何配置以及长期计时稳定性整合到脉冲星筛选过程中，弥补了现有研究的不足。采用扩展卡尔曼滤波器（EKF）进行 onboard 航天器状态估计。对所提出的系统进行两种情景下的评估：一种是高度为 600 km 的近地轨道卫星，另一种是从地球到木星的星际转移。仿真结果表明，若包含 Crab 脉冲星，在 LEO 中的位置误差可低于 7 km，星际转移中可低于 20 km，在仪器有效面积为 200~cm$^2$ 时表现良好；然而，由于 Crab 的计时稳定性有限，在无计时模型更新的情况下，滤波器在 20 天后将出现发散。相比之下，更稳定的脉冲星可实现长期自主性，但精度较低。这些结果凸显了脉冲星筛选用于自主导航中涉及的权衡，以及在平衡各类目标之间所需的努力。总体而言，本研究证明了基于 X 射线脉冲星的导航的可行性，并为向完全自主航天器操作迈出了关键一步。