x射线脉冲星导航的实现分析

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1、X射线脉冲星穿航的实现分析摘要X射线脉冲星发射的X射线，貝.有周期高稳定性、易观测性等特点，是一种优秀的导航定位系统射线源。现阶段对导航系统的研究，重点从卫星导航转移为天体导航，X射线脉冲星导航系统是一个主要的方向。本文简单介绍了脉冲星及其特点，主要结合脉冲星导航的时间测量介绍其工作原理，并就X射线脉冲星导航如何实现，进行了进一步的分析。关键词X射线脉冲星大体导航XNAV一、引言1967年，奥国剑桥人学的Hewish等发现了第一颗射电脉冲星M。1974年，Downs首次提出难于射电脉冲星的航天器IM

2、主轨道确定方法，并概算定轨精度达到150km。1976年，美国的天文观测卫星Ariel-5首次观测到脉冲星的x射线幅射信号。1981印，Chester和Butman提出利川脉冲SX射线源为航天器导航的构想。1993年，Wood设计了非常规恒星特征试验，继承了传统大文导航掩星方法，对利川X射线源的航大器轨道和姿态确定以及吋间保持进行了综合研究。2003年，sheikh在深入分析研究脉冲星的基本物理特征和现代卫虽导航系统体制的基础上,初步论证了基于X射线脉冲星的航天器&主菇精度轨道确定的可行性。至此,X

3、射线脉冲星导航已经成为导航研究的热点。那么，X射线脉冲星导航定位的难木原理是怎样的呢？二、脉冲星导航的时间测量1.脉冲到达时间测量。基于脉冲呈的导航系统的基本观测量是脉冲信号的到达吋间(TimeOfArrival,TOA),TOA观测量足通过将观测到的信号轮廓与一个高SNR的标准模板轮廓比对得到的。如公式(1)所示，观测得到的脉冲轮廓p(t)与标准脉冲轮廓s(t)的差来源于以下儿个因素：时间偏离t,待定常数b,比例因子k和随机噪声n(t)。p(t)=b+k[s(t-T)]+n(t)(1)式十0

4、P，P为观测时刻脉冲星的ti转周期。根裾脉冲轮廓的建立方法，脉冲轮廓是用等间隔△t采样得到的。在总观测时间内,大量光子N的T0A被记录下来，记为To~TN-1，然后被转化为惯性桐架下的等效吋间tO~tN-l。在己知脉冲星吋间模型的基础上，把脉冲相位等分为M个了区段，将这一组光子分布在各个相位子区段上的数FI叠加起來，便得到了一个分段子区间相位轮廓。逑立起时间和脉冲相位之向的关系r；，TOA就可以通过兒测观测脉冲轮廓与标准脉冲轮廓之间的相位差得到。构建标准脉冲轮廓时可以选取任意为相位零点，但通常冇两种

5、做法。-•种是选取主脉冲的尖峰为相位零点，另-•种是选収轮廓上能使傅甩叶变换的基波分量为零的点作为411位基准点。后者以其较高的精度被广泛采用。1.脉冲呈时间模型。要精确计算脉冲信号的TOA,观测值必须是相对惯性系的，即飞行器没脊相对于脉冲星的加速度，通常选川太阳系质心（SolarSystemBarycenter,SSB）和质心力学时（TempsDynamiqueBaricentrique,TDB）。绕地飞行器可以先采用UTC或TAI作为时间标准，再将K转化为TDB。图2显示了脉川

6、信号分别到达太阳

7、系质心和飞行器的关系。图中飞行器位置向景r,地心位置向量rE和脉冲星单位方向向量n都是相对于SSB的。绕地飞行器可以先采用UTC或TAT作为时间标准，再将其转化为TDB。在SSB处，脉冲到达相位O可以川脉冲星相位模型确定，如公式（2）。对某一特定的脉冲眾，模型参数可以通过重复观测确定，H至充分符合所有观测数裾。不难理解，模型预报的粘度不仅依赖于测吋模型参数的优劣，还依赖于脉冲星自身的旋转噪声。利川公式（2）所建立的脉冲星相位模型，我们能够确定脉冲信号在未來吋刻t相对于历元tO的相位。该模型用到了脉冲

8、频率f和它的前二阶导数，对于有些脉冲星，特別是M时利用两类脉冲呈进行导航的二元系统里的脉冲星，可能需要更多的参数。从理论上讲，只要这些参数能够确定，任何发射出吋探测脉冲信兮的脉冲源都町川于测时和定位。2.偏离质心的时间改正。利用公式（2）建立的相位模型能够预报脉冲信号在SSB处的TOA,要将脉冲星在K行器上测得的TOA与SSB处的模型预报T0A作比较，须将1$行器测得的TOA转化到SSB所在惯牲系，并且投影到SSB原点。通常要包含以下两个转化：固冇时间（PropertTime,也叫原吋或适当吋间）到

9、坐标吋间的转化和飞行器到太阳系质心的时刻转化。在精确的导航系统中，运动和引力场对时钟的影响必须考虚。根据广义相对论，飞行器吋钟测得的原吋T可以通过公式（3）转化到一个标准吋间框架，比如TDB嫩•吋t［3］。由于人多脉冲星距地球很远，故可近似认为脉冲星的单位方I⑷県n是常句:W:,但确定近地脉冲星方向时，时差和自行都必须考虑。当导航精度要求较高时，公式（5）中忽略的相对论效应也必须考虑进来，M•体公式参见文献［3］。利用这些公式，在任意已知点的脉冲呈模型都可以得到描述，