脉冲星是高速自转的中子星，是大质量恒星演化、坍缩、超新星爆发的遗迹，是一种具有超高密度、超强电磁场和超强引力场等极端物理条件的天体。脉冲星两个磁极各有一个辐射波束，一般在射电、X射线等多个频段辐射电磁信号，由于自转轴与磁极轴之间有一个夹角，当磁极波束扫过时，探测设备就能接收到一个脉冲信号。脉冲星犹如宇宙中的“灯塔”，自转周期极其稳定，部分毫秒脉冲星的自转周期变化率达10^-19～10^-21，被誉为自然界最稳定的天文时钟，同时其位置可精确测定，所以脉冲星可以提供航天器自主导航所需的时空基准。脉冲星辐射的射电脉冲信号能够穿过星际空间和地球大气层，利用地面大口径天线进行观测，可以用于测定脉冲星在太阳惯性坐标系中的天空角位置和精确的星历表。X射线光子属于高能粒子，利于探测器小型化，X射线是脉冲星导航主要使用的频段。由于X射线无法穿透稠密大气层，X射线脉冲星导航只能在地球大气层外无稠密气体的空间中工作。空间均匀分布的脉冲星可构建类似导航卫星的星座，增强远离地面测控台站作用距离的飞行器自主导航能力，改善自主性，降低运行费用及深空网的负担，且导航信号不受人为干扰，安全性高。

X射线脉冲星导航思想最早源于地面射电观测，成熟于美国S.I.谢赫（S.I.Sheikh）博士对X射线脉冲星导航方法系统研究。1974年，美国喷气推进实验室（JPL）首次提出了基于射电脉冲星开展星际飞行导航思想。2004年2月，美国国防部先进研究计划局（DARPA）提出了“基于X射线源的自主导航定位验证（XNAV）”计划，利用周期性源（如脉冲星）和非周期性源，发展一种革命性的定姿和导航能力，研究目标是能够为航天器太阳系内任意位置提供误差小于30米（SEP）的独立于GPS自主导航能力。2005年，S.I.谢赫系统全面研究脉冲星自主导航技术。2007年，XNAV后续计划被DAPAR决定不再支持研究，其研究成果由美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）继承。2011年，NASA启动了“X射线计时与导航技术的空间站在轨验证试验”（SEXTANT）项目。SEXTANT将是第一次在轨演示观测X射线毫秒脉冲星验证导航技术的项目。通过对多个毫秒脉冲星序贯观测，验证仅依靠XNAV技术的航天器实时轨道确定水平，其主要考核目标是对X射线毫秒脉冲星观测两周有效时间，确定航天器位置精度在最差方向优于10千米。SEXTANT项目已于2017年7月3日发射至国际空间站。中国于2016年11月10日发射脉冲星导航试验卫星（XPNAV-01）。

X射线脉冲星导航只能为地球大气层外的飞行器提供位置、速度和时间等导航信息。X射线脉冲星导航原理同全球卫星导航系统导航原理类似，通过安装在用户上的脉冲星探测器测量脉冲信号到达时间，获取同一时刻发射信号到达用户和太阳质心的时差，进而解算用户相对太阳系质心的距离差。这里脉冲星信号到达太阳系质心的脉冲到达时间是由先前长期在地面上测定的脉冲星星历表来预测的。联合观测4颗以上脉冲星或轮流观测1颗脉冲星并结合航天器轨道动力学模型，即可确定用户的三维位置坐标和1个时钟偏差，实现航天器自主导航。

脉冲星导航系统主要由以下三个重要部分组成：①用户的X射线探测器单元（含时间保持与确定部分）；②精确的脉冲星星历表；③导航算法。X射线脉冲星导航的原始观测数据为X射线光子达到信息。自主导航处理即通过对原始观测数据处理，得到航天器位置、时间与姿态参数，即定位、定时和定姿。定位是利用X射线脉冲星信号确定航天器位置和速度的过程，包括绝对定位、相对定位及动力学辅助定位；定时是利用脉冲星极其稳定的自转频率资源来提供一个新的时间源；定姿是利用脉冲星成像信息确定航天器姿态。脉冲星导航具体处理过程为：①X射线光子被探测器接收，并由星载时间系统（近地空间与地面时间系统保持同步）记录其光子到达时刻。经过时间尺度修正和空间效应改正，得到太阳系质心（SSB）处光子到达时刻。②进行周期搜索，获得最佳脉冲星周期并使用精确星历表进行计时模型推算，折叠出脉冲轮廓。再通过将测量脉冲轮廓与标准脉冲轮廓进行互相关处理，获得测量脉冲的相位偏移量，得到测量脉冲到达时刻（TOA）。由测量脉冲到达时刻与基于脉冲星星历表计时模型预报的时刻比对，得到脉冲计时残差。③计时残差含有航天器位置、速度和钟差等信息，通过导航算法进行处理，解算航天器位置、速度、时间等导航信息。如果收敛，输出导航结果，否则，根据滤波处理残差修改导航初值，再迭代计算，直到导航结果收敛。

作为天文导航的一种，X射线脉冲星导航具有天文导航的共性特点：自主性强、抗干扰能力强、可靠性高、可同步定位定姿、导航误差不随时间积累。除此之外，X射线脉冲星导航还具有独特的优势，主要体现在以下几个方面：①提供高精度的参考时间基准。X射线脉冲星的自转周期高度稳定。对于部分毫秒脉冲星而言，若观测周期大于8年，其长期稳定度可达到10^-15量级。利用脉冲星的观测信息，一方面可以通过建立综合脉冲星时来维持航天器导航系统时间，另一方面可在实现航天器定位的同时校正星载原子钟钟差。②导航精度高。传统天文导航方法通过测量参考天体与航天器的空间角来实现航天器定位，其导航精度依赖于航天器到参考天体的距离。对处于巡航段的深空探测器，传统天文导航方法仅能获得几千千米的定位精度。然而，在相同情况下，X射线脉冲星导航的精度可优于10千米。除此之外，同卫星导航相比，X射线脉冲星导航还具有可同时服务于近地航天器、深空探测器的优势。