x射線脈沖星空間導(dǎo)航定位

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1、X射線脈沖星空間導(dǎo)航定位X射線脈沖星介紹脈沖星是一種快速自轉(zhuǎn)并具有強(qiáng)磁場的中子星，其輻射的電磁波信號在沿磁極方向的一個較窄的錐體（錐角<10度）內(nèi)向外傳播，磁軸與旋轉(zhuǎn)軸之間有一定夾角的脈沖星帶著輻射光束在宇宙中掃過一個巨大的空心錐體?？稍诳梢姽?、無線電、紅外線、紫外線、X射線等頻段內(nèi)觀測到脈沖星輻射的燈塔式掃射現(xiàn)象。脈沖星最重要的特征是自轉(zhuǎn)周期的穩(wěn)定性，周期變化率（△p/p）的典型值為10^-15，某些毫秒脈沖星的自轉(zhuǎn)周期變化率可達(dá)10^-19~10^-21，被譽為“自然界最精確的頻率基準(zhǔn)”。脈沖星單個射電脈沖的強(qiáng)度和形狀都是不斷變化的，特別是其輻射強(qiáng)度的變化呈現(xiàn)出一種近似隨機(jī)的過程

2、，其偏振特性也是非常復(fù)雜的。但脈沖星具有穩(wěn)定的累積脈沖輪廓，通過它可以測量脈沖到達(dá)時間（TOA:TimeofArrival),進(jìn)而進(jìn)行脈沖星輻射脈沖周期穩(wěn)定性理論、脈沖星時理論及XPNAV(X-rayPulsars-basedNavigation)技術(shù)等的研究。根據(jù)獲取能量方式的不同，X射線脈沖星可以分為旋轉(zhuǎn)動能X射線脈沖星（RXPSR：Rotation-poweredX-rayPulsars)、伴生X射線脈沖星（AXPSR：Accretion-poweredX-rayPulsars)和奇異X射線脈沖星（AXP：AnomalousX-rayPulsars)三類。旋轉(zhuǎn)動能脈沖星（RPS

3、R）的輻射能量來自于自身的旋轉(zhuǎn)動能。但大部分RPSR脈沖星缺少X射線輻射或者存在突發(fā)定時噪聲。伴生脈沖星（APSR）通過吸收伴星上的物質(zhì)為其輻射提供能量。由于脈沖雙星中雙星的相互吸引、旋轉(zhuǎn)效應(yīng)及伴星對脈沖信號的衰減和扭曲效應(yīng)，AXPSR脈沖星的輻射脈沖周期表現(xiàn)出更加復(fù)雜的特性。奇異X射線脈沖星輻射能量來自于自身的磁場能量。影響X射線脈沖星導(dǎo)航定位的因素包括：宇宙空間分布、累積脈沖形狀、脈沖周期長短、脈沖周期穩(wěn)定性、X射線電磁波輻射流量、累積脈沖輪廓信噪比等。目前觀測到的脈沖星大約有1700多顆，其中適宜于空間導(dǎo)航定位的X射線脈沖星約有十幾顆。X射線脈沖星空間定位基本原理（1）基于事先

4、建立的脈沖星輻射脈沖TOA預(yù)測模型(SSB：SolarSystemBarycenter慣性系下)計算脈沖到達(dá)航天器相對其到達(dá)SSB的時間差值,即計算TDOA（TimeDifferenceofArrival）。（2）確定航天器在該脈沖星方向上相對于SSB的位移。融合多顆X射線脈沖星方向上的位移即可確定航天器的空間位置。（3）地球大氣層對脈沖星輻射的X頻段電磁波具有衰減作用,因此,XPPD技術(shù)適用于近地軌道、地球同步軌道、大橢圓地球軌道及星際空間飛行的航天器的導(dǎo)航定位。由于許多脈沖星距離太陽系非常遙遠(yuǎn),認(rèn)為在太陽系中觀測X射線脈沖星的方向矢量為常數(shù)。如果不考慮相對論誤差等因素。作垂直于脈

5、沖星方向且到SSB點的距離為TDOA乘以光速的平面，則航天器應(yīng)在該平面上。XPNAV系統(tǒng)Ｘ射線探測器：航天器攜帶的Ｘ射線探測器接收脈沖星輻射的Ｘ頻段電磁波光子，基于星載原子鐘記錄每一光子的到達(dá)時間。相對論誤差修正：建立TOA預(yù)測模型的觀測數(shù)據(jù)一般在地球軌道衛(wèi)星上獲得，然后TOA模型時間被轉(zhuǎn)換到SSB慣性系下，因此若將在運行于近地軌道、地球同步軌道及行星際軌道的航天器上測量的X射線脈沖星脈沖TOA與事先建立的TOA預(yù)測模型進(jìn)行比較，需要首先將測量的脈沖TOA轉(zhuǎn)換到SSB慣性系下。通過對脈沖星輻射脈沖的長期積累建立脈沖星累積脈沖輪廓模型,通過研究脈沖星的輻射脈沖頻率和頻率變化情況建立脈沖

6、相位演化模型,進(jìn)而建立脈沖TOA預(yù)測模型。脈沖TOA預(yù)測模型一般建立在SSB慣性系下,以脈沖星的某個輻射脈沖到達(dá)SSB的時刻為TOA預(yù)測模型的時間坐標(biāo)軸原點。脈沖星輻射脈沖到達(dá)航天器的相位相對于SSB的差值為可直接測量的相位差余值與脈沖整周期的和?；谌wＸ射線脈沖星觀測數(shù)據(jù)所確定的三個平面的交點即為航天器的空間位置。利用多顆Ｘ射線脈沖星的TDOA觀測量組成基本觀測矢量，調(diào)用航天器運動狀態(tài)歷史信息，通過航天器軌道動力學(xué)方程、航天器時鐘系統(tǒng)狀態(tài)方程和Kalman濾波方程估計航天器位置和速度等。X射線脈沖星空間導(dǎo)航定位應(yīng)用前景可為地球軌道航天器及深空探測器提供精確的導(dǎo)航信息；可為中遠(yuǎn)程導(dǎo)

7、彈的近地軌道飛行提供精確的位置、速度、姿態(tài)和時間等豐富的導(dǎo)航信息；可為北斗等導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)及其它空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的時空基準(zhǔn)；可避免敵方的干擾和摧毀，具有進(jìn)行第二次打擊的戰(zhàn)略意義；不需構(gòu)建龐大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)的建設(shè)與維護(hù)費用都比較低。X射線脈沖星空間定位國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外1974年，美國的德恩斯博士首次提出了基于射電脈沖星的行星際飛行航天器自主軌道確定方法。1993年，美國海軍研究實驗室的伍德博士提出了利用X射線源測定航天器軌道和姿態(tài)以及利用X射線脈沖星進(jìn)