x射線脈沖星導(dǎo)航的實現(xiàn)分析

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1、X射線脈沖星穿航的實現(xiàn)分析摘要X射線脈沖星發(fā)射的X射線，貝.有周期高穩(wěn)定性、易觀測性等特點，是一種優(yōu)秀的導(dǎo)航定位系統(tǒng)射線源?，F(xiàn)階段對導(dǎo)航系統(tǒng)的研究，重點從衛(wèi)星導(dǎo)航轉(zhuǎn)移為天體導(dǎo)航，X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)是一個主要的方向。本文簡單介紹了脈沖星及其特點，主要結(jié)合脈沖星導(dǎo)航的時間測量介紹其工作原理，并就X射線脈沖星導(dǎo)航如何實現(xiàn)，進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。關(guān)鍵詞X射線脈沖星大體導(dǎo)航XNAV一、引言1967年，奧國劍橋人學(xué)的Hewish等發(fā)現(xiàn)了第一顆射電脈沖星M。1974年，Downs首次提出難于射電脈沖星的航天器IM

2、主軌道確定方法，并概算定軌精度達(dá)到150km。1976年，美國的天文觀測衛(wèi)星Ariel-5首次觀測到脈沖星的x射線幅射信號。1981印，Chester和Butman提出利川脈沖SX射線源為航天器導(dǎo)航的構(gòu)想。1993年，Wood設(shè)計了非常規(guī)恒星特征試驗，繼承了傳統(tǒng)大文導(dǎo)航掩星方法，對利川X射線源的航大器軌道和姿態(tài)確定以及吋間保持進(jìn)行了綜合研究。2003年，sheikh在深入分析研究脈沖星的基本物理特征和現(xiàn)代衛(wèi)雖導(dǎo)航系統(tǒng)體制的基礎(chǔ)上,初步論證了基于X射線脈沖星的航天器&主菇精度軌道確定的可行性。至此,X

3、射線脈沖星導(dǎo)航已經(jīng)成為導(dǎo)航研究的熱點。那么，X射線脈沖星導(dǎo)航定位的難木原理是怎樣的呢？二、脈沖星導(dǎo)航的時間測量1.脈沖到達(dá)時間測量?；诿}沖呈的導(dǎo)航系統(tǒng)的基本觀測量是脈沖信號的到達(dá)吋間(TimeOfArrival,TOA),TOA觀測量足通過將觀測到的信號輪廓與一個高SNR的標(biāo)準(zhǔn)模板輪廓比對得到的。如公式(1)所示，觀測得到的脈沖輪廓p(t)與標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓s(t)的差來源于以下兒個因素：時間偏離t,待定常數(shù)b,比例因子k和隨機(jī)噪聲n(t)。p(t)=b+k[s(t-T)]+n(t)(1)式十0

4、P，P為觀測時刻脈沖星的ti轉(zhuǎn)周期。根裾脈沖輪廓的建立方法，脈沖輪廓是用等間隔△t采樣得到的。在總觀測時間內(nèi),大量光子N的T0A被記錄下來，記為To~TN-1，然后被轉(zhuǎn)化為慣性桐架下的等效吋間tO~tN-l。在己知脈沖星吋間模型的基礎(chǔ)上，把脈沖相位等分為M個了區(qū)段，將這一組光子分布在各個相位子區(qū)段上的數(shù)FI疊加起來，便得到了一個分段子區(qū)間相位輪廓。逑立起時間和脈沖相位之向的關(guān)系r；，TOA就可以通過兒測觀測脈沖輪廓與標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓之間的相位差得到。構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓時可以選取任意為相位零點，但通常冇兩種

5、做法。-?種是選取主脈沖的尖峰為相位零點，另-?種是選収輪廓上能使傅甩葉變換的基波分量為零的點作為411位基準(zhǔn)點。后者以其較高的精度被廣泛采用。1.脈沖呈時間模型。要精確計算脈沖信號的TOA,觀測值必須是相對慣性系的，即飛行器沒脊相對于脈沖星的加速度，通常選川太陽系質(zhì)心（SolarSystemBarycenter,SSB）和質(zhì)心力學(xué)時（TempsDynamiqueBaricentrique,TDB）。繞地飛行器可以先采用UTC或TAI作為時間標(biāo)準(zhǔn)，再將K轉(zhuǎn)化為TDB。圖2顯示了脈川

6、信號分別到達(dá)太陽

7、系質(zhì)心和飛行器的關(guān)系。圖中飛行器位置向景r,地心位置向量rE和脈沖星單位方向向量n都是相對于SSB的。繞地飛行器可以先采用UTC或TAT作為時間標(biāo)準(zhǔn)，再將其轉(zhuǎn)化為TDB。在SSB處，脈沖到達(dá)相位O可以川脈沖星相位模型確定，如公式（2）。對某一特定的脈沖眾，模型參數(shù)可以通過重復(fù)觀測確定，H至充分符合所有觀測數(shù)裾。不難理解，模型預(yù)報的粘度不僅依賴于測吋模型參數(shù)的優(yōu)劣，還依賴于脈沖星自身的旋轉(zhuǎn)噪聲。利川公式（2）所建立的脈沖星相位模型，我們能夠確定脈沖信號在未來吋刻t相對于歷元tO的相位。該模型用到了脈沖

8、頻率f和它的前二階導(dǎo)數(shù)，對于有些脈沖星，特別是M時利用兩類脈沖呈進(jìn)行導(dǎo)航的二元系統(tǒng)里的脈沖星，可能需要更多的參數(shù)。從理論上講，只要這些參數(shù)能夠確定，任何發(fā)射出吋探測脈沖信兮的脈沖源都町川于測時和定位。2.偏離質(zhì)心的時間改正。利用公式（2）建立的相位模型能夠預(yù)報脈沖信號在SSB處的TOA,要將脈沖星在K行器上測得的TOA與SSB處的模型預(yù)報T0A作比較，須將1$行器測得的TOA轉(zhuǎn)化到SSB所在慣牲系，并且投影到SSB原點。通常要包含以下兩個轉(zhuǎn)化：固冇時間（PropertTime,也叫原吋或適當(dāng)吋間）到

9、坐標(biāo)吋間的轉(zhuǎn)化和飛行器到太陽系質(zhì)心的時刻轉(zhuǎn)化。在精確的導(dǎo)航系統(tǒng)中，運(yùn)動和引力場對時鐘的影響必須考虛。根據(jù)廣義相對論，飛行器吋鐘測得的原吋T可以通過公式（3）轉(zhuǎn)化到一個標(biāo)準(zhǔn)吋間框架，比如TDB嫩?吋t［3］。由于人多脈沖星距地球很遠(yuǎn)，故可近似認(rèn)為脈沖星的單位方I⑷県n是常句:W:,但確定近地脈沖星方向時，時差和自行都必須考慮。當(dāng)導(dǎo)航精度要求較高時，公式（5）中忽略的相對論效應(yīng)也必須考慮進(jìn)來，M?體公式參見文獻(xiàn)［3］。利用這些公式，在任意已知點的脈沖呈模型都可以得到描述，