单探测器脉冲星导航方法

摘要

本发明提供了一种单探测器脉冲星导航方法，航天器上的X射线探测器逐一接收到来自4颗毫秒脉冲星的X射线光子，测量X射线光子到达X射线探测器的时刻，保存为原始观测信号并进行多普勒效应、相对论效应、Shapiro延迟的改正，得到脉冲轮廓基准点的到达时间，形成对该颗脉冲星的观测方程，解算后实现航天器的自主定时与定位。本发明利用单个探测器就能完成脉冲星绝对定位，且定位精度高，没有长期误差积累。

主权项

一种单探测器脉冲星导航方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一，航天器上的X射线探测器逐一接收到来自4颗毫秒脉冲星的X射线光子，测量X射线光子到达X射线探测器的时刻，保存为原始观测信号；步骤二，利用航天器位置与速度的估计值，完成对原始观测信号多普勒效应、相对论效应、Shapiro延迟的改正；步骤三，按照所观测毫秒脉冲星的自转周期，设采集时间为N个周期，每个周期分为N_b个bin，每个bin对应一个相位，将N个周期内接收到的X射线光子叠加到一个周期获取毫秒脉冲星积分脉冲轮廓进而得到该颗毫秒脉冲星脉冲轮廓基准点的到达时间；I(i,j)表示发生在时间bin t(i,j)中的光子事件的次数；步骤四，重复步骤一至三，航天器依次观测4颗毫秒脉冲星PSR1、PSR2、PSR3、PSR4，获得在t1、t2、t3、t4时刻的到达时间Toa¹(t₁)、Toa²(t₂)、Toa³(t₃)、Toa⁴(t₄)，同时利用对应的每颗脉冲星的钟模型计算在t1、t2、t3、t4时刻每一个脉冲预计到达太阳系质心SSB的时刻并形成时差观测量ΔT¹、ΔT²、ΔT³、ΔT⁴，i＝1、2、3、4，解算飞行器位置和时间：$\left\{\begin{array}{c}\Delta T^1·c=x_1·k_x^1+y_1·k_y^1+z_1·k_z^1+t_c·c+{\Delta }^1\\ \Delta T^2·c=x_2·k_x^2+y_2·k_y^2+z_2·k_z^2+t_c·c+{{\Delta }^2}^{}\\ \Delta T^3·c=x_3·k_x^3+y_3·k_y^3+z_3·k_z^3+t_c·c+{{\Delta }^3}^{}\\ \Delta T^4·c=x_4·k_x^4+y_4·k_y^4+z_4·k_z^4+t_c·c+{{\Delta }^4}^{}\end{array}\right.$式中，c为光速，为第i颗脉冲星单位方向矢量的坐标分量，为已知量；为对第i颗脉冲星观测的模型修正项，可由理论计算得到；t_c为星载钟相对于标准时间的钟差，是待求量；R_j＝(x_j,y_j,z_j)，j＝1,2,3,4为t_j时刻航天器在太阳系质心坐标系中的位置坐标，为待求量；步骤五，利用惯性导航系统给出的航天器在不同历元相对位置的测量结果来减少步骤四的公式中未知数的个数：x₂＝x₁+Δx₁₂y₂＝y₁+Δy₁₂z₂＝z₁+Δz₁₂x₃＝x₁+Δx₁₃y₃＝y₁+Δy₁₃z₃＝z₁+Δz₁₃x₄＝x₁+Δx₁₄y₄＝y₁+Δy₁₄z₄＝z₁+Δz₁₄式中(x_j,y_j,z_j)为t_j时刻航天器在太阳系质心坐标系中的位置坐标，k＝2、3、4为t_k时刻航天器的位置坐标与t₁时刻航天器位置坐标的差值，由航天器上的惯导系统给出，将上式代入步骤四的公式后得到基于单X射线探测器观测方案的脉冲星自主导航技术的观测方程：$\left\{\begin{array}{c}\Delta T^1·c=x_1·k_x^1+y_1·k_y^1+z_1·k_z^1+t_c·c+{\Delta }^1\\ \Delta T^2·c=x_1·k_x^2+y_1·k_y^2+z_1·k_z^2+{\mathrm{\Delta x}}_{12}·k_x^2+\Delta y_{12}·k_y^2+\Delta z_{12}·k_z^2+t_c·c+{\Delta }^2\\ \Delta T^3·c=x_1·k_x^3+y_1·k_y^3+z_1·k_z^3+\Delta x_{13}·k_x^3+\Delta y_{13}·k_y^3+\Delta z_{13}·k_z^3+t_c·c+{\Delta }^3\\ \Delta T^4·c=x_1·k_x^4+y_1·k_y^4+z_1·k_z^4+\Delta x_{14}·k_x^4+\Delta y_{14}·k_y^4+\Delta z_{14}·k_z^4+t_c·c+{\Delta }^4\end{array}\right.$式中，t1、t2、t3、t4四个观测时刻的观测值被归算到了同一个参考历元t1时刻，用以进行观测结果归算的航天器相对位置测量值Δx_1k,Δy_1k,Δz_1k由惯导系统给出，解四个未知数x₁,y₁,z₁,t_c便可实现航天器的自主定时与定位。