[发明专利]单探测器脉冲星导航方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种航天器天文自主导航方法，尤其是应用于深空探测飞行器的惯性导航与天文导航技术相结合的组合导航方法。

背景技术

目前应用于航天器的自主导航技术中，惯性导航是应用最广的一种技术，它也是一种完全自主的航天器定位与导航技术。在给定载体初始运动状态的情况下，利用惯导系统的惯性测量元件可测定载体相对于惯性空间的角速度和线加速度，经过积分计算得到载体的各项导航参数。惯性导航系统主要由陀螺仪、加速度计、导航计算机以及伺服电路等设备组成。惯性导航系统可以连续实时地提供载体的位置、速度和姿态信息，其具有短时测量精度高、技术成熟可靠、体积小、重量轻等优点，因此惯性导航系统已经成为卫星/航天器的标准配置。但惯性导航系统的测量误差会随着使用时间的增长而不断积累，必须利用其他导航系统的测量数据对惯导系统的测量数据进行定期校准与修正，这也正是惯性导航系统的主要缺点。单一的惯性导航系统往往难以满足远程高精度导航的要求，因此，在实际使用过程中，惯性导航系统经常与其他导航系统联合使用，组成组合导航系统。

基于X射线脉冲星的航天器自主导航技术是一种新兴的天文自主导航技术。该技术是利用航天器上装载的X射线计时观测系统，通过对一组事先选定的X射线毫秒脉冲星进行计时观测，并利用程序化的脉冲星自主导航算法对观测数据进行处理，理论上可以解算出航天器的位置、速度、时间信息。脉冲星导航技术也是一种真正意义上的自主导航与定位技术，且其测量误差不随时间累积，可以满足深空探测飞行器高精度导航与定位的要求。

在脉冲星自主导航技术中，用作导航信标的毫秒脉冲星自转周期非常稳定，被誉为自然界中最稳定的时钟。一组分布于空间各个方向的，天体测量参数和自转模型经过精确测定的毫秒脉冲星可以构成脉冲星时空参考架，可为航天器自主导航提供外部绝对时空基准。脉冲星时空参考架的建立和保持是一个长期的过程，首先需要利用地面射电望远镜对脉冲星进行长期计时观测，得到大量脉冲星的脉冲到达时间（TOA）观测资料，然后通过对TOA观测资料的分析处理得到脉冲星的自转参数（参考历元相位、自转频率及其导数）和天体测量参数（脉冲星位置、自行、视差等）。在地面利用射电望远镜进行脉冲星计时观测的原理图如图1所示。

在图1中，建立在地面的射电望远镜在射电波段观测并记录下来自脉冲星的辐射信号的到达时间toa_obs，然后利用测站的地心位置坐标将toa_obs转换成脉冲信号的地球质心到达时间toa_e，再利用地球的质心历表计算出同一个脉冲到达太阳系质心的时刻toa_SSB。在上述转换过程中要考虑Roemer延迟、Shapiro延迟、大气延迟、测站钟差、历表误差等多项延迟与误差的改正。在获得长期的toa_SSB序列之后，可通过对计时残差的分析，拟合出所观测脉冲星的自转周期、自转周期一阶导数、位置、自行等参数。

在获得上述参数的基础上，可以建立导航用毫秒脉冲星数据库。在导航应用时，航天器是利用X射线探测器在X射线波段对毫秒脉冲星进行计时观测的，由于辐射区域的不同，脉冲星的射电波段观测数据与X射线波段观测数据之间会存在相位零点差（射电波段TOA与X射线波段TOA之间的差值，对同一颗脉冲星而言，该差值是一个常数）。在完成脉冲星射电波段与X射线波段之间的相位零点差改正之后，便可将该数据库保存于航天器的空间计算机上，利用该数据库可以准确预报出每一颗脉冲星的脉冲到达太阳系质心（Solar System Barycentic,SSB）的时刻。

在导航应用时，利用航天器上装备的X射线计时观测设备，对一组事先选定的毫秒脉冲星进行脉冲到达时间测量，测得每颗脉冲星的脉冲到达航天器的时刻，同时利用脉冲星钟模型可以预报出同一个脉冲到达太阳系质心的时刻，通过同一个脉冲到达航天器与太阳系质心时刻的比较，再结合这一组脉冲星的空间位置参数，就能解算出观测时刻航天器相对于太阳系质心的位置矢量(三维坐标)，其基本原理如图2所示。