[发明专利]基于脉冲星的导航星座时间同步和定向参数测量方法

摘要

本发明提供了一种基于脉冲星的导航星座时间同步和定向参数测量方法，首先定义导航星座定向参数，然后采用单站观测法在选定的一颗导航卫星上观测X射线脉冲星，测量星座定向参数进行时间同步，或采用较差观测法在选定的两颗卫星上同时观测同一颗脉冲星或者任何X射线变源，测量星座定向参数。本发明能利用阶段性测量得到的导航星座定向参数和平均时间偏差，修正星间链路导航结果，从而实现导航星座卫星的长期自主导航。

主权项

一种基于脉冲星的导航星座时间同步和定向参数测量方法，其特征在于包括下述步骤：1)导航星座定向参数定义设导航卫星在地心参考系的位置矢量表示为${\stackrel{\→}{r}}_S={\left(\begin{array}{ccc}X& Y& Z\end{array}\right)}^T,$由星间链路导航提供的同一颗导航卫星同一时刻地心参考系的位置矢量表示为${\widetilde{\stackrel{\→}{r}}}_S={\left(\begin{array}{ccc}x& y& z\end{array}\right)}^T,$$\left(\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\γ}& -\mathrm{\β}\\ -\mathrm{\γ}& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}& -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)$其中，α、β、γ为星间链路导航参考架相对于脉冲星惯性参考架的旋转参数；2)导航星座定向参数测量和时间同步方法2.1)单站观测法测量星座定向参数和时间同步方法所述的单站观测法是在选定的一颗导航卫星上观测X射线脉冲星，单站观测法的误差观测方程为$\begin{array}{c}{\mathrm{ct}}_p-{\mathrm{ct}}_{\mathrm{pobs}}=\mathrm{c\δt}\\ +{[\hat{n}-\frac{1}{R_0}\widetilde{\stackrel{\→}{r}}+\frac{1}{R_0}(\hat{n}\·\widetilde{\stackrel{\→}{r}})\hat{n}+\frac{1}{R_0}\stackrel{\→}{V}\mathrm{\Δt}-\frac{1}{R_0}(\hat{n}\·\stackrel{\→}{V}\mathrm{\Δt})\hat{n}+\frac{1}{c}{\stackrel{\→}{v}}_E+\underset{k=1}{\overset{{\mathrm{PB}}_{\mathrm{SS}}}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{2\mathrm{GM}}_k}{c^2}\·\frac{\hat{n}+\frac{{\widetilde{\stackrel{\→}{r}}}_k}{{\tilde{r}}_k}}{\hat{n}\·{\widetilde{\stackrel{\→}{r}}}_k+{\tilde{r}}_k})]}^T[\left(\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\γ}& -\mathrm{\β}\\ -\mathrm{\γ}& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}& -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)]\end{array}$代入方程组$\begin{array}{c}\mathrm{\δt}={\mathrm{\δt}}_0\left(t_0\right)+\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{t}(t-t_0)\\ \mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_0\left(t_0\right)+\stackrel{\·}{\mathrm{\α}}(t-t_0)\\ \mathrm{\β}={\mathrm{\β}}_0\left(t_0\right)+\stackrel{\·}{\mathrm{\β}}(t-t_0)\\ \mathrm{\γ}={\mathrm{\γ}}_0\left(t_0\right)+\stackrel{\·}{\mathrm{\γ}}(t-t_0)\end{array},$能够求解平均观测历元导航星座定向参数、平均时间偏差及其随时间的变化率；其中，太阳系质心参考系内，导航卫星相对于太阳系质心的位置矢量是的近似值是t_p是脉冲星脉冲发射时刻，c是光速，t_pobs是观测得到的脉冲星脉冲发射时刻，是脉冲星在太阳系质心参考系单位矢量，是脉冲星空间运动速度，Δt是观测时刻与脉冲星星历参考历元的差值，R₀是星历参考历元脉冲星相对太阳系质心的距离，PB_SS是太阳系主要天体数，G是牛顿引力常数，M_k是第k个太阳系天体质量，是卫星相对第k个太阳系天体的矢量，r_k是的模；2.2)较差观测法测量星座定向参数方法较差观测法是在选定的两颗卫星上同时观测同一颗脉冲星或者任何X射线变源，较差法的定向参数观测方程如下：$\begin{array}{c}\mathrm{c\Δ}{t}_{\mathrm{pij}}={[\hat{n}-\frac{1}{R_0}\widetilde{\stackrel{\→}{r}}+\frac{1}{R_0}(\hat{n}\·\widetilde{\stackrel{\→}{r}})\hat{n}+\frac{1}{R_0}\stackrel{\→}{V}\mathrm{\Δt}-\frac{1}{R_0}(\hat{n}\·\stackrel{\→}{V}\mathrm{\Δt})\hat{n}+\frac{1}{c}{\stackrel{\→}{v}}_E+\underset{k=1}{\overset{{\mathrm{PB}}_{\mathrm{SS}}}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{{2\mathrm{GM}}_k}{c^2}\·\frac{\hat{n}+\frac{{\widetilde{\stackrel{\→}{r}}}_k}{{\tilde{r}}_k}}{\hat{n}\·{\widetilde{\stackrel{\→}{r}}}_k+{\tilde{r}}_k})]}_j^T[\left(\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\γ}& -\mathrm{\β}\\ -\mathrm{\γ}& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}& -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right){]}_j\\ -{[\hat{n}-\frac{1}{R_0}\widetilde{\stackrel{\→}{r}}+\frac{1}{R_0}(\hat{n}\·\widetilde{\stackrel{\→}{r}})\hat{n}+\frac{1}{R_0}\stackrel{\→}{V}\mathrm{\Δt}-\frac{1}{R_0}(\hat{n}\·\stackrel{\→}{V}\mathrm{\Δt})\hat{n}+\frac{1}{c}{\stackrel{\→}{v}}_E+\underset{k=1}{\overset{{\mathrm{PB}}_{\mathrm{SS}}}{\mathrm{\Σ}}}(\frac{2{\mathrm{GM}}_k}{c^2}\·\frac{\hat{n}+\frac{{\widetilde{\stackrel{\→}{r}}}_k}{{\tilde{r}}_k}}{\hat{n}\·{\widetilde{\stackrel{\→}{r}}}_k+{\tilde{r}}_k})]}_i^T[\left(\begin{array}{ccc}1& \mathrm{\γ}& -\mathrm{\β}\\ -\mathrm{\γ}& 1& \mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}& -\mathrm{\α}& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right)-\left(\begin{array}{c}x\\ y\\ z\end{array}\right){]}_i\end{array}$其中，卫星i和卫星j观测得到的同一颗脉冲星或X射线变源信号发射时刻之差是Δt_pij，利用多次观测的结果采用最小二乘法求解星座定向参数。