问题很好，是分类提出的，那么也需要分类解决。
首先对于近地轨道卫星的导航，主要手段有两种，一种是利用地面测控站和卫星本身自带的天文导航设备（如红外地平仪等）进行定轨和导航，一种是利用星载GPS。在利用星载GPS时候需要注意的是，这种卫星的轨道高度不能高于GPS卫星的轨道高度，否则导航信号无法覆盖。有时候上述两种方法也会结合起来运用。
接下来是转移轨道和绕月轨道以及火星的飞行轨道，这类航天器显然已经无法利用GPS导航了，因为其轨道高度超过了GPS轨道高度。另外，由于其距离地球较远，如果两个测量天线之间的距离比较近，在使用无线电导航时，则测定出来的轨道会有比较大的误差。因此，需要两个距离比较远的天线，从而诞生了一种提出了一种基于甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry，VLBI)的深空导航定位技术δDOR(Delta Differential One-Way Ranging)，其导航定位精度除了与天线增益和接收机性能有关外,还取决于天线之间的基线长度，而基线长度原则上不受限制，可达数千公里，因而，可以极大提高测量精度。目前的测角精度达毫角/米量级，当应用于奔月轨道时,定轨误差只有几米。
国外对
δDOR 深空导航技术的研究始于20世纪70年代,主要的研究机构是美国的NASA、欧洲ESA和日本的JAXA。
δDOR 导航定位本质上是VLBI测量技术的一个应用，当时VLBI测量技术刚刚进入实用阶段，NASA喷气推进实验室(JPL)就开始考虑如何将这种高精度的测量技术用于深空探测器的导航定位，经过近10年的研究准备，
δDOR 技术于1978在旅行者1号经过木星时得到了实际运用。自此，NASA对
δDOR 深空导航技术的研究就一直没有中断，并且
δDOR 已成为其经常性的探测器导航服务项目。
ESA从1986年开始着手研究
δDOR 技术，最初导航任务由NASA全权代理，在1992年Ulysses探测器再临近木星时,测轨精度因为
δDOR 系统的应用得到了提高。ESA于2005年8月首次独立具备了
δDOR 导航定位能力,但目前主要还是通过与NASA和JAXA开展国际合作完成。
日本的JAXA从2003年开始关注
δDOR 技术，对其首个火星探测器NOIOMI开展了大量
δDOR 观测。NOIOMI由太空与太空航行科学研究所(Institute of Space and Astronautical Science，ISAS)开发，计划1998年到达火星，但因变轨错误而不得不更改飞行方案，分别于2002年、2003年进行了两次高精度变轨。为了确保变轨成功,ISAS的科学家于2002年8月正式启动 δDOR导航定位系统,在测量过程中使用了日本境内的9副X频段VLBI天线以及位于加拿大的46 m直径的Algonquin天线,测量结果帮助JAXA修正了飞行参数,顺利完成了变轨。
我国首次
δDOR 的测量于2004年7月进行，测量的航天器是2003年12月从西昌发射的“探测一号”科学卫星，测量的主要目的是为日后要进行的“嫦娥一号”探月卫星导航定位提供技术积累，研究VLBI测量技术对探月卫星定轨的贡献。当时利用上海佘山、乌鲁木齐南山和云南昆明的3个VLBI站,采用上海天文台自行编制的软件完成了数据VLBI相关处理，测量结果显示平均定轨误差为2 km，测速精度可达5 cm/s。2007年“嫦娥一号”探月卫星成功发射后，δDOR 技术对卫星月球轨道的高精度定轨正式发挥作用。
δDOR 系统的原理是航天器首先要发射一组S频段、X频段或者Ka频段的正弦波或者方波信号，称为测音信号，这些信号可以是单音也可以是通过伪随机码进行扩频的信号，目的是更加精确地模仿自然界中的射电信号。地球上不同地理位置的观测站对该侧音信号进行观测并同步记录在一定的
存储介质中。观测站间的基线很长，因此，侧音信号到达各站的时间存在延迟，将各站的观测数据通过一定的方式传输到数据处理中心，通过相关处理器处理就可以解算出信号到达各站的延迟，从而确定航天器相对于观测站的角度。但这种未校准测量结果中存在许多误差，如电离层延迟、对流层延迟、时钟偏差、站址偏差及接收机设备延迟等等。
为了消除这些误差,$DOR观测时引入了射电天文坐标系，该坐标系以宇宙中若干恒定射电源作为
基准点，这些射电源的位置由国际天文组织经过长期的VLBI观测得到，角位置精度可达到nrad级。
由于射电源信号与航天器信号所经过的信道完全一致，因此，可以认为测量射电源信号时由空间环
境及设备引入的延迟误差与测量航天器信号时引入的误差相等，这一误差项可以通过射电源的时延
测量值与标准值求差解算出来，再利用该误差项对航天器的位置进行修正就能得到高精度的航天器
方位角值。实际测量时，射电源和航天器不可能同时得到天线的跟踪，对射电源信号和航天器信号的接收只能交替进行，如采用射电源-航天器-射电源或航天器-射电源-航天器等方式。射电源选择的原则是位于航天器的附近，一般在10°以内，目前国际天文组织已公布了许多免费的星历表，如SDSS、ICRF、LBQS及JPL深空网专用星历表等，以便寻找与探测器位置最为匹配的射电源。
下面分别是是δDOR 系统原理图和工作流程图：
最后讲一讲更加遥远的探测器怎么进行定位。对于上述的 δDOR 系统有个缺陷就是观测天线必须可见航天器才能进行测量，那么如果不在可见弧段时候怎么办呢？或者，在遥远的太空中，通信出现了故障又怎么办呢？解决这一问题，就需要航天器具有自主导航的能力。这就是下面要介绍的天文自主导航。
第一种是基于太阳和行星的天文自主导航。利用太阳和行星进行自主导航是最为简单和成熟的天文
导航方案) 由于太阳和行星在任意时刻的位置可根据星历表获得， 而从探测器上观测到的行星之间的夹角、行星和恒星之间的夹角和行星视线方向等信息是探测器位置的函数， 通过这些观测量利用几何解析的方法或结合轨道动力学滤波即可获得探测器的位置、速度等导航参数，早在20世纪60年代， 美国阿波罗登月计划中就已使用了该类导航方法。1982年美国喷气推进实验室 (JPL)研制的自主制导和导航系统 (AGN) 在用于木星飞行任务时，也是利用星体跟踪器和CCD敏感器测得的行星和恒星之间的夹角进行深空探测器的天文导航和姿态确定。近年来， 随着深空探测任务的增多，该方法也随着测量仪器和滤波方法的改进， 得到越来越多的关注。该方法的优点是计算简单， 易于实现； 缺点是导航精度随探测器与太阳、 行星之间距离的增加而降低。
第二种是基于小行星或行星卫星的自主导航。由于太阳和行星到探测器的距离相对较远，因此角度测量的微小误差就会对导航的位置误差产生极大的影响。利用探测器在转移轨道中遇到的近距离小行星进行定位可大大提高导航精度。该方法的基本原理与上述基于太阳和行星的自主导航方法
基本相同，但由于小行星和探测器之间距离较近， 因此导航精度较前者高。其缺点是通常探
测器与小行星相遇的时间很短，且小行星的观测也较困难。该方法已应用于早期的水手号、 旅行者号、 伽利略号和近期的深空一号和深度撞击号等多颗深空探测器中。 是目前最成熟的方法。
第三种就是有回答介绍到的基于X射线脉冲星的导航。脉冲星是太阳系以外的遥远天体，它们的位置坐标，犹如恒星星表一样构成一种高精度惯性参考系；脉冲星按一定频率发射稳定的脉冲信号，其长期稳定度好于地球上最稳定的铯原子钟。脉冲星可以提供绝好的空间参考基准和时间基准，是空间飞行器极好的天然导航信标。与脉冲射电信号相比，X 射线能量辐射相对较高，易于设备探测和信号处理，减少了弱信号积分时间，提高了脉冲到达时间测量分辨率。尤其是有利于设计小型化探测设备，探测器有效面积可小于 1㎡，使其装备航天器应用成为可能。
X 射线脉冲星导航的基本原理是，在空间航天器上，测量脉冲星脉冲到达时间(相位)，并将其作为基本观测量；利用建立在基准点(太阳系质心)的时间模型，计算同一脉冲到达基准点的相位；在脉冲相位观测量与时间模型计算值之间组差，差分观测量反映了航天器与基准点在脉冲星视线方向的距离差，是航天器位置和脉冲星位置的函数；假定已知脉冲星位置，通过一定的导航算法，即可获得观测时刻航天器相对基准点的位置坐标。
上图是X射线脉冲星导航的工作流程
但是，X 射线脉冲星导航还面临许多问题需要解决。其中必须解决的关键问题是：
（1）X 射线脉冲星源
要进行 X 射线脉冲星导航，必须具有适合导航的 X 射线脉冲星源，其位置精度和流量要满足一定的要求。例如，如果要求导航精度达到 10m(3σ)，脉冲星的角分辨率应小于0.0001″，流量大于 100µCrab。目前满足要求的脉冲星数量较少。而且已发现的脉冲星大部分集中在银道面附近，对于三维定位的几何条件不太好。因此开展 X 射线巡天，发现更多的 X 射线脉冲星非常重要。
（2）X 射线探测器
在不同波段观测脉冲星，信号结构不同，脉冲星到达时间也不同，而大部分脉冲星是在射电波段观测的，只有一部分可以在 X 射线和
γ 波段观测到。X 射线探测器包括 X 射线成像仪、光子计数器和高速读出电路。但是到目前为止，还没有为导航目的同时多个 X 射线探测器在轨运行的实验(在
USA 试验中，卫星上装两个探测器，实际上只有一个可以工作)。
（3）观测 TOA 修正及时间模型建立
X 射线探测器根据航天器搭载的原子钟记录脉冲到达时间(TOA)。X 射线脉冲星导航需要将观测 TOA 在
TDB/TCB 时间尺度下转化到脉冲星时间模型基准点，并与时间模型预报值进行比对，之间涉及到大量的时间转换和相对论改正。
（4）导航算法
根据 X 射线探测器得到的光子计数和 X 射线成像数据，卷积出脉冲到达时间(TOA)，利用脉冲星星表和其他参数，通过一定的计算，得到飞行器的位置、速度和姿态。在数据处理过程中涉及大量时间、坐标转换、相对论改正、修正量计算。各项误差的量级及其对最终定轨结果的影响程度还需要进一步在实际工作中试算验证，并通过设计改进导航算法减弱误差对定轨精度的影响。与 GPS 相位观测量类似，脉冲信号观测量同样需要进行模糊度解算。
上述的导航定位手段都不是孤立的，很多时候需要联合使用，联合解算，以达到最优的定轨精度。
总之，导航的办法多多，问题也多多，不过相信随着科技水平的提升，人类向深空发展的脚步不会停止！
参考文章：
宁晓琳《自主天文导航技术综述》
周小坤《DOR深空导航定位技术进展》
— 完 —
本文作者：肖寅
【知乎日报】
你都看到这啦，快来点我嘛 Σ(▼□▼メ)
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