魏子卿:X射线脉冲星导航

泰伯网2017-09-16 15:29:28

摘要: 在本届大会的高端论坛上,中国工程院院士魏子卿做了题为《X射线脉冲星导航》的主题报告。

  泰伯网讯 9月16日,第六届中国卫星导航与位置服务年会暨首届卫星应用国际博览会在深圳龙岗召开,本次会议以“超越卫星导航 共享天地信息”为主题,由中国卫星导航定位协会、中国遥感应用协会、中国卫星全球服务联盟合作主办。

  在本届大会的高端论坛上,中国工程院院士魏子卿做了题为《X射线脉冲星导航》的主题报告。

魏子卿:X射线脉冲星导航

  以下为中国工程院院士魏子卿的主题演讲(内容未经本人核实):

  脉冲星导航,准确说应该是X射线脉冲星,X射线原则就是在发射X射线脉冲星,怎么能发射X射线呢?就是用两种机制,一种是旋转供能的脉冲星,就是快速旋转提供能量,第二种是把大质量的恒星,吸积供能的毫秒脉冲星,这两种X射线脉冲星。

  脉冲星导航基本原理是毫秒脉冲星,非常快,脉冲星自转频率特别标准,现在毫秒脉冲星自转周期稳定度。脉冲星导航什么意思呢?利用X射线脉冲星辐射的脉冲信号为空间飞行器进行空间导航(定位、测速、定时、定姿),我们讲的脉冲星导航是这个意思,可以达到全要素导航。

  为什么叫做X射线脉冲星导航?脉冲星可以在射电、光学、红外和X射线、Y射线波段产生辐射,有的脉冲星同时在射电和X射线都辐射信号。射电信号发射的信号可以穿越大气层,可以在地面观测到,但是需要用大口径天线,这样的大口径天线不便空间应用,不适于空间导航。X射线辐射被大气层吸收,所以只能在大气层外看得到,现在X射线脉冲导航只能用在空中导航,而不适宜在地面导航。

  脉冲星导航示意图,最近的那个,接受三个脉冲星发射过来的信号就可以进行定位,这是一个示意图。它的基本原理,要说起来跟X射线脉冲星原理差不多,脉冲到达时间,看这个图,把三个卫星从起点开始用三个不同的TOA,利用三个TOA就可以比较。脉冲星到达航天器和到达太阳系质心,我们假设一个是航天器上观测者,一个太阳系质心的观测者,到达这两个地点的时间差,利用时间差。

  我们用三种定位模式,绝对定位、相对定位、动力学辅助定位,绝对定位大家不太知道,再一个飞行器上接收四个脉冲星信号,相对定位是利用X射线源,动力学辅助定位,动力学模型要知道,利用这个动力学模型辅助。

  脉冲星导航少不了这几个东西,X射线探测器、飞行器、脉冲星历表等等。说一下脉冲星星表,星表对脉冲星导航提供时空基准,脉冲星包括几何参数(赤经、赤纬、自行)和物理参数(频率、流强)。脉冲星星表要通过脉冲星观测才能得到,脉冲星参数变化比较快,拿自行来说,脉冲星自行比一般的自行要大,一秒就能自行好几公里,脉冲星位置在变,脉冲星星表也在变,要进行观测。脉冲星观测包括地面射电观测和空间X射线观测这两种手段。

  地面观测什么意思呢?地面观测有一个前提,我刚才前面讲到了,地面射电观测包括单望远镜观测和VLBI观测。用单望远镜观测观测脉冲星,将脉冲星参数拟合于得到的TOA序列,用长期观测数据,参数拟合精度很高。VLBI观测,射电望远镜组网,采用相位参考和在射柬内校准技术进行观测,采用脉冲门相关和电离层校准等技术进行数据处理,可以得到脉冲星的角位置。地面射电观测的优点,便于长期观测,可得到精确的参数值。缺点,仅有少数同时又X和射电辐射的脉冲星可以在地面观测到。

  刚才讲的是地面观测,空间观测,空间X射线观测,在空间飞行器上,安装X射线探测器,并配备GNSS接收机。X涉县探测器观测脉冲星,观测得到TOA,跟地面的道理一样,有一定的办法可以得到脉冲星的位置。角位置精度有望好于1mas,角位置属于行星历表的参考系。空间X射线观测得有点,得到的参数能直接用于脉冲星导航,方法简便,在平台上安置单探测器或多探测器均可进行。缺点,不如地面观测那样方便能够坚持长期进行。

  脉冲星导航基本原理方框图,包括启动器、系统计算机、X射线原理表、轨道推算器、导航解改正程序。脉冲星导航基本原理,它的特点是这样的,在大气层外工作,独立自主导航,无需地面跟踪网之车,适于近地轨道、中高轨道、环月轨道、星际航行,导航不受外界干扰。

  脉冲星导航的用途,概括起来有这么几条,一是为卫星导航系统(如GPS或北斗)和其它空间飞行器提供自主导航;二是为月球、火星探测以及其他深空探测、行星际航行提供空间导航,三是为空间和地面用户提供时间参考,四是为导航卫星提供时空基准,增强导航卫星的自主导航能力,控制星座的整体旋转;五是为卫星导航系统提供补充或备份手段。北斗或者GPS受干扰的时候就不好用了,但是这个就不会。

  下面讲关于国外的发展概括,国外的情况,我这里提供一些大致的情况。国外发展情况主要是这样的,从1967年发现脉冲星,1981年提出来概念,一个比较里程碑式的就是在1999年做了试验,2005年起到2010年前后XNAV,这是一个美国的工程,后面有两个具体的,重点是这么几件事情。

  199年那时候美国当时海军做了这么一个试验,叫USA试验,这是设备情况,探测器,下面是结果,大家可以看到,好的1公里多一点,快2公里。

  XNAV计划,从2000年一直到2008年,计划的执行过程。这个计划的目的、目标是这样的,当时提出来提供误差小于30m,GPS自主导航能力,它是干什么用的?为国防部的空间飞行器提供自主导航,为军用资产提供精密自主自然天体时间源,为空间飞行器提供姿态,刚才提的是30m,后来提出来30m太高了,按现在的技术达不到,当然这个过程我还是给大家讲一下。为空间飞行器提供一个不用GPS、位置误差小于30m SEP的自主导航能力,在太阳系任何位置。

  有一个时间表,可以看到到2016年。执行了1期,在1期执行完以后,把这个载荷送到国际空间站上。

  这是它的用途,我就不说了。优点,创造一个宇宙时间尺度,优点有稳定性、自主性、宇宙性。在XNAV完了之后,又提出来X射线时间系统,提供一个时间尺度,脉冲星时,还有脉冲星导航的定位。把XTIM描述了一下,用X射线脉冲星为空间资产自主定时和定位的系统,并将这些信息广播给地面和空间用户,供导航和定时之用。

  XTIM计划表,2010年干什么,2011年干什么。仪器关键设计评审是在2012年的时候。XTIM的应用,主要是用来干什么呢?为用户提供精确的时间、支持安全通信、验证新的终技术、加强观测技术,应用非常广。

  这是它的定姿情况,这是2010年的情况,2011年的情况。2011年,NASA启动了SEXTANT项目,2017年6月,已经发射到ISS,SEXTANT是NICER项目上增加的一项技术演示验证项目,X射线毫秒脉冲星观测两周有效时间。

  这个项目将在空间站上进行验证,现在处于研发阶段。X射线相应的情况,这都有详细的数据。国外发展情况,详细情况没有,支离破碎,目前来讲它有这么一个情况,它现在在试验阶段,2015年6月发布了NASA空间发展规划,提出来“革命性概念”这个概念,这个概念是什么意思呢?主要针对一些最前沿的技术想法,这些想法现在不够成熟,但是很有希望,也很有风险,这个值得研究,可能研究成功了,也可能不成功,要发展这种“革命性概念”,前几年就处于这种情况。

  长期目标、短期目标这里都有,短期目标是利用毫秒脉冲星进行自主导航,长期目标是在轨自主导航,目前状态是利用GPS和DSN网络的射频系统,到2025年对火星探测。

  这是德国的情况,德国开了一个会议。俄罗斯、意大利这些,它们是在研究阶段,俄罗斯在空间站上做了试验,几何面积达到1平方米。装了两种探测器,微通道板探测器和聚焦型探测器。试验目的,上天实测两种不同类型探测器性能,同时利用探测器研究宇宙背景噪声。探测蟹状星云脉冲星,解决探测器看得见脉冲星的问题。探测3颗低流量脉冲星。小型探测器,达到小平面,把它聚焦。

  SDD探测器流量情况大概是这样,聚焦型SDD探测器数据处理周期搜索值。聚焦型SDD探测器的Crab能谱表。

  我简单总结,X射线脉冲星导航是一种基于自然天体的导航技术,其特点是自主、安全、适用于多种轨道,能够提供时间、位置、速度和姿态全要素导航,可用于为飞行器自主导航和深空导航。

  本世纪初以来,国外脉冲星导航研究进展很快。2005年美国DARPA开始执行XNAV计划,2010年又提出XTIM计划,目标是建立一个不依赖GPS的空间定位和时间系统,供国防部和民间用户使用。这两个计划都在进行中。而我国目前已经发射了XNAVP-01星,进行了初步空间试验。

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