脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法

脉冲星测量技术用于深空探测 器自主导航的原理及方法
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脉冲星的发现
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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。
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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。
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脉冲星导航技术研究历程
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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《Interplanetary Navigation Using Pulsation Radio Source》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。
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SBIR 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(GPS Enhanced Onboard Navigation System)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。
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XNAV 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-ray Source-based Navigation for Autonomous Position Determination)。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。
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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《Feasibility Study for a Spacecraft Navigation System relying on Pulsar Timing Informatio》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。
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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/ION PLANS 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。
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USA 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。
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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。
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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。
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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。
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Plot of X-ray sources along globe viewed from 45° RA and 45° Dec
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Plot of X-ray sources along globe viewed from -45° RA and 225° Dec
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Plot of X-ray sources from XNAVSC in Galactic longitude and latitude
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XNAV 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。