X射线脉冲星空间导航定位.docx

X 射线脉冲星空间导航定位X 射线脉冲星介绍 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(Ap/p)的典型值为10人-15，某些毫秒脉冲星的自转周期变化率可达10人-19〜10人-21, 被誉为“自然界最精确的频率基准”脉冲星单个射电脉冲的强度和形状都是不断变化的，特别是其辐射强度的变化呈现出一种近 似随机的过程，其偏振特性也是非常复杂的但脉冲星具有稳定的累积脉冲轮廓，通过它可 以测量脉冲到达时间(TOA: Time of Arrival),进而进行脉冲星辐射脉冲周期稳定性理论、脉 冲星时理论及XPNAV(X-ray Pulsars-based Navigation)技术等的研究 根据获取能量方式的不同， X 射线脉冲星可以分为旋转动能 X 射线脉冲星( RXPSR： Rotation-powered X-ray Pulsars)、伴生 X 射线脉冲星(AXPSR： Accretion-powered X-ray Pulsars) 和奇异X射线脉冲星(AXP： Anomalous X-ray Pulsars)三类。

旋转动能脉冲星(RPSR)的 辐射能量来自于自身的旋转动能但大部分RPSR脉冲星缺少X射线辐射或者存在突发定 时噪声伴生脉冲星(APSR)通过吸收伴星上的物质为其辐射提供能量由于脉冲双星中 双星的相互吸引、旋转效应及伴星对脉冲信号的衰减和扭曲效应，AXPSR脉冲星的辐射脉 冲周期表现出更加复杂的特性奇异X射线脉冲星辐射能量来自于自身的磁场能量 影响 X 射线脉冲星导航定位的因素包括：宇宙空间分布、累积脉冲形状、脉冲周期长短、 脉冲周期稳定性、X射线电磁波辐射流量、累积脉冲轮廓信噪比等目前观测到的脉冲星大 约有1700多颗，其中适宜于空间导航定位的X射线脉冲星约有十几颗X 射线脉冲星空间定位基本原理(1) 基于事先建立的脉冲星辐射脉冲TOA预测模型(SSB： Solar System Barycenter惯性系 下)计算脉冲到达航天器相对其到达 SSB 的时间差值,即计算 TDOA(Time Difference of Arrival)2) 确定航天器在该脉冲星方向上相对于SSB的位移融合多颗X射线脉冲星方向上的位 移即可确定航天器的空间位置3) 地球大气层对脉冲星辐射的X频段电磁波具有衰减作用，因此,XPPD技术适用于近地轨 道、地球同步轨道、大椭圆地球轨道及星际空间飞行的航天器的导航定位。

由于许多脉冲星距离太阳系非常遥远,认为在太阳系中观测 X 射线脉冲星的方向矢量为常 数如果不考虑相对论误差等因素作垂直于脉冲星方向且到SSB点的距离为TDOA乘以 光速的平面，则航天器应在该平面上XPNAV 系统X射线探测器：航天器携带的X射线探测器接收脉冲星辐射的X频段电磁波光子，基于星载 原子钟记录每一光子的到达时间相对论误差修正：建立 TOA 预测模型的观测数据一般在地球轨道卫星上获得，然后 TOA 模型时间被转换到 SSB 惯性系下，因此若将在运行于近地轨道、地球同步轨道及行星际轨 道的航天器上测量的X射线脉冲星脉冲TOA与事先建立的TOA预测模型进行比较，需要 首先将测量的脉冲TOA转换到SSB惯性系下通过对脉冲星辐射脉冲的长期积累建立脉冲星累积脉冲轮廓模型,通过研究脉冲星的辐射脉 冲频率和频率变化情况建立脉冲相位演化模型,进而建立脉冲TOA预测模型脉冲TOA预测模型一般建立在SSB惯性系下，以脉冲星的某个辐射脉冲到达SSB的时刻为 TOA预测模型的时间坐标轴原点脉冲星辐射脉冲到达航天器的相位相对于SSB的差值为 可直接测量的相位差余值与脉冲整周期的和基于三颗X射线脉冲星观测数据所确定的三个平面的交点即为航天器的空间位置。

利用多颗 X射线脉冲星的TDOA观测量组成基本观测矢量，调用航天器运动状态历史信息，通过航 天器轨道动力学方程、航天器时钟系统状态方程和Kalman滤波方程估计航天器位置和速度 等X 射线脉冲星空间导航定位应用前景可为地球轨道航天器及深空探测器提供精确的导航信息； 可为中远程导弹的近地轨道飞行提供精确的位置、速度、姿态和时间等丰富的导航信息； 可为北斗等导航卫星系统及其它空间卫星网络提供统一的时空基准； 可避免敌方的干扰和摧毁，具有进行第二次打击的战略意义； 不需构建庞大的卫星网络，系统的建设与维护费用都比较低X 射线脉冲星空间定位国内外研究现状国外1974 年，美国的德恩斯博士首次提出了基于射电脉冲星的行星际飞行航天器自主轨道确定 方法1993年，美国海军研究实验室的伍德博士提出了利用X射线源测定航天器轨道和姿态以及 利用X射线脉冲星进行时间保持的综合方法2004年初，美国国防部国防预先研究项目局（DARPA）提出了 “基于X射线源的自主导航 定位”（XNAV）研究计划2004年8月，美国航空航天局（NASA）和海军天文台等多家单位着手拟定和启动脉冲星导 航的研究计划，同时X射线脉冲星导航也已纳入国防部长期发展战略规划。

2005年2月，DARPA提出后续几年XNAV项目研究经费预算额将逐年增加，持续开展脉 冲星导航的理论方法、关键技术和原理样机研制等方面的研究工作国内1992年，北京天文台成功研制了脉冲星单通道观测系统，在国内首次观测到了射电脉冲星1996年，乌鲁木齐天文站开始启用25米的射电望远镜观测脉冲星，并积极拓展国际合作观 测研究，目前已观测到数十颗脉冲星，对射电脉冲星的周期数、周期跃变、自旋速率、脉冲 轮廓、星际闪烁和频谱特性等方面进行了研究XX 中心的专家开展了毫秒脉冲星时间计量的理论分析研究工作我国已立项研制500米口径球面射电望远镜（FAST）,其性能指标优于美国阿雷西博射电望 远镜FAST建成必将增强我国巡天观测脉冲星的能力我国已立项研制硬X射线调制望远镜（HXMT），预计于2010年发射，将对X射线脉冲星 进行自主观测，建立X射线脉冲星的观测数据库XX大学和XX中心合作，于XX年获得了国家自然科学基金委信息学科对脉冲星研究的首 个资助 －－ “毫秒脉冲星极弱信号的检测与平均脉冲消色散方法研究”，已取得了阶段性 成果， XX 年年底结题XX年，XX大学与XX研究院合作，获得了 863计划资助课题一一“X射线脉冲星空间导 航定位关键技术研究”。

XX 大学和 XX 研究所在利用 X 射线脉冲星进行导航定位机理方面的研究工作已进行了 X 年xx年获得国家自然科学基金资助课题一一“基于X射线脉冲星源的自主导航定位机理及关 键技术研究”X射线脉冲星导航定位技术属于基础性和前沿性研究课题，具有重要的学术价值和广阔的应 用前景目前国外研究工作已全面展开，国内研究尚处于起步阶段国内在脉冲星观测、脉 冲星辐射机制理论、脉冲星TOA测量理论等方面已取得了初步的研究成果，为我国开展X 射线脉冲星导航定位技术研究奠定了初步基础国内正开展X射线脉冲星导航的基本概念 和原理、理论模型和算法以及关键技术和途径等方面的研究工作，逐步提升 X 射线脉冲星 导航技术研究水平。