脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法.

1/76脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法2/76脉冲星的发现3/76脉冲星机制当一颗恒星变成超新星时，经过激烈变化后，留下满天膨胀的气体和微小物质，余下的核心直径只有几十到十几公里。超新星的内爆非常强烈，恒星原子里的质子和电子被紧紧地压缩在一起，抵消了它们的电荷，形成中子。这种中子星可以达到水密度的1014倍，有着极强的磁场，可以非常快速地旋转。因为磁轴不与旋转轴重合，二者一般具有一定的夹角，当脉冲星高速旋转时，辐射束将沿着磁场两极方向被抛出，随着脉冲星的自转，该辐射束周期性扫过探测器的视界，形成脉冲。4/76脉冲星机制一般认为，脉冲星是一种快速自转并具有强磁场的中子星，其辐射的电磁波信号在沿磁极方向的一个较窄的锥体（锥角10度）内向外传播，磁轴与旋转轴之间有一定夹角的脉冲星带着辐射光束在宇宙中扫过一个巨大的空心锥体。可在可见光、无线电、红外线、紫外线、X射线等频段内观测到脉冲星辐射的灯塔式扫射现象。脉冲星最重要的特征是自转周期的稳定性，周期变化率（△p/p）的典型值为10-15，某些毫秒脉冲星的自转周期变化率可达10-19~10-21，被誉为“自然界最精确的频率基准”。从磁极发出的辐射射线象探照灯光束的脉冲。将这些旋转的中子星叫做脉冲星。一些脉冲星在可见光和Ｘ光频率下能观测到，更多的可在射电频下观测到。不同频谱下观测到的脉冲星图像不尽相同。5/76脉冲星的发现20世纪30年代，发现中子以后，苏联理论物理学家就预言了宇宙中存在由中子组成的星体，其密度极高，体积极小，辐射很弱。当时的天文观测主要依赖于光学观测，由于中子星体积小，光度比普通恒星小几十亿倍，因此很难发现预言中的中子星。1967年，英国剑桥大学的休伊什教授及其博士研究生贝尔利用观测行星际闪烁的射电望远镜发现了第一颗射电脉冲星；1976年，英国的天文观测卫星羚羊5号首次观测到脉冲星X射线辐射信号。6/76已发现的脉冲星目前，已发现的射电脉冲星约有1800颗，其中毫秒脉冲星约占10％，而已发现的X射线脉冲星约有140颗，其中10余颗脉冲星具有良好的X射线周期性稳定辐射特性。通过天文观测，我们可以确定脉冲星的相关参数，包括脉冲星的自转参数（自转的初始相位、自转频率及其导数）和天体测量参数（空间位置、自行和距离）。利用脉冲星的已知参数，我们可以建立相关模型，为空间飞行器提供导航服务。7/76PlotofX-raysourcesalongglobeviewedfrom45°RAand45°Dec8/76PlotofX-raysourcesalongglobeviewedfrom-45°RAand225°Dec9/76PlotofX-raysourcesfromXNAVSCinGalacticlongitudeandlatitude10/76脉冲到达时间TOA在利用脉冲星进行导航的过程中，最为重要的观测量为脉冲星脉冲信号到达航天器时间TOA（TimeofArrival）。位置导航中利用TOA和预计的到达时间之差解算出真实位置和预报位置之差，从而对预报位置进行修正。因此，射电脉冲星在导航领域具有很大的应用潜能。在近地轨道导航领域，射电脉冲星定位将成为GPS的备份与补充；脉冲星的两个磁极各有一个辐射波束，根据星体自转情况，周期性地向航天器上的探测设备发射脉冲信号，从而为那些星际旅行的航天器指引方向。脉冲星犹如太空之海永不熄灭的灯塔，是天造地设的导航标识。脉冲星自转周期范围从几毫秒到10余秒，周期稳定性极好，毫秒级脉冲星被誉为自然界最稳定的时钟。11/76两个研究方向近40年来，脉冲星一直是天文学、天体物理学、高能物理学和空间科学理论研究的热点领域。脉冲星的应用研究主要集中在两个方面:一是脉冲星时间计量方法和时频基准建立研究；二是基于X射线脉冲星的航天器自主导航技术研究。事实上，时间测量是导航定位的基本观测量，因而脉冲星时间计量的理论方法以及信号与数据处理技术研究，为脉冲星导航技术研究奠定了理论基础。脉冲星导航是指利用脉冲星的脉冲信号和已知的脉冲星位置，确定空间飞行航天器的轨道，为飞行器提供位置、速度、时间、姿态等丰富导航信息，实现飞行器自主导航和运行的技术。12/76脉冲星导航技术研究历程13/76研究历程a)脉冲星导航思想的萌芽阶段1.脉冲星导航思想最早于20世纪70年代提出。2.1971年，Reichley，Downs和Morris首次描述了把射电脉冲星作为时钟的思想。3.1974年，Downs在文献《InterplanetaryNavigationUsingPulsationRadioSource》中提出一种基于射电脉冲星信号进行行星际导航的思想，标志着脉冲星导航思想的初步形成。但由于脉冲星的射电信号强度较弱，宇宙中的射电信号噪声强度大，导航中需要至少25m口径的天线接收信号，因此该方法很难在工程中实现。4.20世纪70年代后期，天文观测在X射线波段能量范围1~20keV、频率范围2.5×1017~4.8×1017Hz的进展，促进了对X射线脉冲星特性的研究。5.1980年Downs和Reichley提出测量脉冲星脉冲到达时间的技术。1981年Chester和Butman在国际上第一次正式提出利用X射线脉冲星进行航天器导航的思想。14/76研究历程b)脉冲星导航理论的成长阶段20世纪80年代和90年代，X射线脉冲星导航理论得到了长足发展，在定位、定姿和授时研究方面取得了一定成果。20世纪80年代，随着天文理论的发展和观测手段的进步，人们对X射线脉冲星的特性有了更深刻的了解。•1982年，随着第一颗毫秒脉冲星的确认，人们发现某些毫秒脉冲星可用作天然高精度的频率标准源，据此提出了建立毫秒脉冲星时的想法。•1993年，Wood建议研究一个广泛适用的X射线导航系统，包括姿态、位置、时间以及演示验证任务。•John将这方面工作继续深入，1996年在其博士论文中详细讨论了利用X射线天体源来确定航天器姿态和时间的方法。在此阶段，定位研究主要集中在掩星法，精度无法满足高精度导航需求。15/76研究历程c)脉冲星导航理论的初步成型阶段进入新世纪，随着人们对脉冲星在X波段了解的深入，X射线脉冲星自主导航理论初步成型。1.2004年，Josep等人在文献《FeasibilityStudyforaSpacecraftNavigationSystemrelyingonPulsarTimingInformatio》中详细阐述了脉冲星导航原理和脉冲星信号模型，并分析了实现的可行性。2.2005年Dennis在其硕士学位论文中把X射线脉冲星自主导航方法与GPS卫星轨道确定结合起来，为提高GPS卫星的自主性提供了新的思路。3.同年，Suneel在其博士论文中系统阐述了X射线脉冲星自主导航方法，提出多种定位、授时方案，标志着X射线脉冲星自主导航理论初步成型。16/76研究历程d)脉冲星导航理论的完善提高阶段1.2007年4月在美国马萨诸塞州剑桥市举办的第63届导航协会年会上设立了X射线脉冲星导航专题报告分会，与会学者就脉冲星导航中的一些关键问题进行了充分交流。2.2008年5月在加利福尼亚蒙特里举办的IEEE/IONPLANS年会上，John和Emadzadeh分别作了关于脉冲星导航的大会报告，讨论了脉冲星导航中的精度和相对导航等问题。3.在2008年GNC学术会议上，针对脉冲星导航中的一些基本问题，Graven等人提出了相关技术方案，分析评估了守时精度和导航性能，指出目前脉冲星导航在信号源模型、探测器、导航算法及演示验证方面尚存在一些问题有待进一步深入研究。4.针对基于X射线脉冲星的相对导航问题，2009年在IEEE的决策与控制和AIAA的GNC会议上，Emadzadeh建立了航天器在轨测量的光子到达事件数学模型，提出采用历元叠加的方法来恢复脉冲星信号，研究了基于非线性最小二乘和极大似然估计的信号时延估计算法，并将算法精度与导航精度极限CRLB进行了仿真比较。17/76脉冲星导航相关科学研究计划18/76USA试验a)USA试验从1999年到2000年，斯坦福大学线性加速器中心(StanfordLinearAcceleratorCenter，SLAC)和美国海军研究实验室(NavalResearchLaboratory，NRL)共同设计、研制的非常规天体试验(UnconventionalStellarAspect，USA)系统搭载在ARGOS卫星上升空。19/76USA试验USA试验在一个万向节结构上安装了两个大型X射线探测器，为X射线脉冲星导航提供了试验平台。USA试验是ARGOS卫星搭载的8项试验中的一项，也称NRL-801，其主要目的是验证利用空间X射线源进行导航的可行性。在NRL-801试验中，GPS接收机一方面用于辅助记录X射线光子到达探测器的时间，另一方面向卫星提供精确的位置信息。ARGOS卫星的整个任务周期为3年，由于搭载的探测器性能不高和运行期间星载GPS系统发生故障等多方面原因，导致脉冲星导航的定位精度不高。但试验结果表明，X射线脉冲星导航这一前瞻性导航方式是可行的。20/76XNAV计划b)XNAV计划2004年，美国DARPA的战术技术办公室启动了XNAV计划(X-raySource-basedNavigationforAutonomousPositionDetermination)。XNAV是一项应用空间X射线源进行自主定位、定姿和授时的研究和发展计划，其目标是验证利用X射线源进行航天器导航的可行性，研制开展空间试验所需要的有效载荷，研究成果将为近地空间和深空探测提供有效的导航手段，为GPS导航系统提供可靠备份。XNAV计划的主要任务包括:测试X射线探测器性能；检验X射线脉冲星导航精度；测定旋转供能X射线脉冲星参数；确定试验平台上载荷最佳方位角；为试验平台研发设计X射线探测器系统；为试验平台加工生产X射线探测器；设计适用于空间飞行任务的载荷；飞行演示试验；建立导航性能的评价机制。21/7622/76XNAV计划XNAV计划自2004年启动，分三个阶段实施。1.2004~2006年是概念可行性研究阶段，主要进行脉冲星特征描述、导航算法开发、探测器原型设计、应用效果评估等；2.2006~2008年是设备研发阶段，设计、开发相关硬件，并进行地面试验；3.2008~2009年是演示验证阶段，通过在航天飞机、国际空间站或其它航天器上的搭载试验确认方案的有效性。2005年11月，DARPA选择鲍尔航天技术公司领导XNAV计划第一阶段研发工作。2006年2月，XNAV计划在RDT&E预算项目中申请研究经费1658.4万美元。2007年后该项目的进展情况无法从公开文献中查到，估计目前已取得重大突破。23/76SBIR资助计划c)SBIR资助计划2006年，在NASA小型企业创新研究计划(SBIR)资助下，美国Microcosm公司开展了脉冲星导航研究。该研究计划分为三个阶段。1.第一阶段，Microcosm公司论证了X射线脉冲星导航的可行性，分析不同星际航行任务下X射线脉冲星导航可以达到的精度，对导航可用脉冲星进行了初步编目，分析了不同因素对导航误差的影响。2.第二阶段，Microcosm公司将针对NASA关心的一些飞行任务，详细评估X射线脉冲星导航的性能，开发适用于近期XNAV飞行演示验证使用的飞行试验软件。3.第三阶段，Microcosm公司计划将研发的飞行试验软件与戈达德空间飞行中心的GEONS(GPSEnhancedOnboardNavigationSystem)软件集成，研发组合导航系统以提高导航的精度和可靠性。目前该计划进展顺利，研究工作已进入第二阶段。24/76X射线脉冲星观测及编目研究进展25/76地面射电望远镜观测基于地面射电望远镜观测脉冲星是一种十分有效的手段。由于在地面可以将射电观测系统口径做得很大，具有较高的能量和时间分辨率，因此在脉冲星巡天观测以及脉冲星位置、周期、周期变率等参数高精度观测方面有独到的优势，其中JodrellBank、LosAl