脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法.ppt

脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法 脉冲星的发现 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。 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。 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。 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。 Plot of X-ray sources along globe viewed from 45° RA and 45° Dec Plot of X-ray sources along globe viewed from -45° RA and 225° Dec Plot of X-ray sources from XNAVSC in Galactic longitude and latitude 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（Time of Arrival）。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。 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。 脉冲星导航技术研究历程 研究历程 a) 脉冲星导航思想的萌芽阶段 脉冲星导航思想最早于 20 世纪 70 年代提出。 1971 年，Reichley，Downs 和Morris 首次描述了把射电脉冲星作为时钟的思想。 1974 年，Downs 在文献《Interplanetary Navigation Using Pulsation Radio Source》中提出一种基于射电脉冲星信号进行