X射线脉冲星脉冲到达时间测量及导航应用

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1、2008全国频率控制技术年会论文集一5一x射线脉冲星脉冲到达时间测量及导航应用杨廷高(中国科学院国家授时中心，陕i两'lX潼710600)摘要x射线脉冲星脉冲到达时间(ToA)的空间测量是航天器自主导航的基础。在介绍美国为x射线导航研制的大面积硅PIN探测器基础上，重点讨论X射线脉冲星脉冲到达航天器时间的测量方法和算法。利用x射线脉冲星辐射光子到达航天器时间观测，建立x射线脉冲轮廓，通过观测得到的x射线脉冲轮廓与事先建立的标准模板脉冲轮廓比较，实现高精度的TOA测量。给出利用观测得到的TOA确定航天器轨道位置和航天器时间的基本方法。关键词x射线脉冲星TOA测量航

2、天器自主导航X—rayPulsarPulseArrivalTimeDeterminationandApplicationtoNavigationYANGTing-gao(NationalTimeServiceCenter,ChineseAcademyofSciences，$hanxiLintong710600)AbstractSpacecraftautonomousnavigationisbasedonhi．ghprecisiondeterminationofX-raypulsarpulsetimeofarrival(TOA)．Abriefintroductio

3、naboutlargeareasiliconPINX-raydetectorforXNAVwaso’ven．DetaildiscussionondeterminationandalgorithmofX-raypulsarpulsetimeofarrivalatspacecrafIWascarriedout．IntegratedX—-raypulsarpulseprofileismadefromX-rayradiationoftheobservedpulsarrecordedbyanonboarddetector．HighprecisionTOAoftheobse

4、rvedpulsaristhenderivedbycomparisoninFourierfrequencydomainbetweenintegratedpulseprofileanditsstandardtemplatepulseprofile．FinallythefundamentalprincipletodeterminespacecrafttimeandorbitpositionusingderivedTOAWasbrieflyreported．KeywordsX-raypulsarTOAdeterminationSpacecraftautonomousn

5、avigation1引言脉冲星自转非常稳定，其中毫秒脉冲星自转稳定度可以和原子钟相比。至今，已发现射电脉冲星约2000颗，很多脉冲星的自转参数和天体测量参数已经精确测定。有些射电脉冲星同时具有x射线波段辐射，很适合在航天器上应用x射线探测器观测。由于x射线探测器载荷轻，在软X射线波段对X射线脉冲星的观测能取得令人满意的信噪比，近年来，应用x射线脉冲星的航天器导航研究获得迅速发展。原理上，应用X射线脉冲星可以确定航天器的位置和时间，应用X射线源(包括脉冲星)还可以精确测量航天器的姿态【M。美国海军研究实验室于1999至2001年搭载ARGOS卫星，成功进行了应用x

6、射线脉冲星导航的概念性实验嘲。于2004年，美国国防部先进技术发展局启动了x射线导航(XNAV)项目，计划用5年时间，完成x射线脉冲星导航(包括航天器定位、定时、定姿态)实验。按照预定目标，应用脉冲星的航天器定位精度达到几十米量级，时间稳定度达到10-“～10-15，s，航天器的姿态测量精度达到2—3角秒。除去军用外，美国NASA也在进行商用开发研究。应用x射线脉冲星的航天器导航技术也可以应用于GPs卫星，以便提升卫星的自主导航能力。x射线脉冲星导航的关键技术之一是X射线脉冲星脉冲到达航天器时间(ToA)的测量。通过在航天器上对脉冲星观测得到的TOA与该脉冲星同

7、一个脉冲到达太阳系质心时间(由事先测定好的脉冲星钟参数模型计算得到)的比较，可以确定航天器在观测时刻的位置和时间。下面主要讨论在航天器上的TOA测量技术，并简要说明应用TOA测量实现航天器导航(定位、定时)的基本原理和一6—2008全国频率控制技术年会论文集方法。2X射线探测器系统适合于航天器应用的x射线脉冲星计时观测(即TOA测量)系统主要包括X射线探测器、准直器和电子系统。X射线探测器接收来自脉冲星的x射线信号，安装在探测器正面的准直器决定探测器的视场大小，电子系统除去信号处理功能外，能够为探测到的X射线光子提供时间戳，并记录探测到的每个x射线光子的到达时间

8、。光子到达时间是探测器系