[發明專利]一種基于X射線脈沖星的星座定向仿真系統及方法

在審

• 申請號: 201210323581.3
• 申請日: 2012-09-04
• 公開（公告）號: CN103674020A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 張華;許錄平;田玉琴;鄒力涵;宋詩斌
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于導航技術領域，特別涉及一種基于X射線脈沖星的星座定向仿真系統及方法，該方法用于為地球或其它近天體的軌道星座或編隊衛星提供定向服務，該仿真模擬系統為該方法提供地面仿真模擬和演示驗證平臺。

背景技術

X射線脈沖星導航能夠為從近地軌道、深空直至星際空間的航天器提供高精度的位置、速度、姿態以及定時服務，近年來已逐漸成為國際國內研究的熱點領域。1981年，美國通信系統研究所的切斯特和巴特曼提出利用脈沖星X射線源為航天器導航的構想；1999年，搭載USA試驗設備的美國空軍‘’先進研究與全球觀測衛星”被發射進入預定軌道，USA開展空間科學試驗研究中包括了一項有關X射線導航的主題研究；2004年8月，美國航空航天局和海軍天文臺等多家單位著手擬定和啟動脈沖星導航的研究計劃，同時X射線脈沖星導航已納入國防部長期發展戰略規劃綱要，并逐年增加項目研究經費，持續開展脈沖星導航的理論方法研究、關鍵技術攻關和原理樣機研制等方面的研究工作。我國在空間科學十一五規劃中也包括了發射用于實現1-250keV寬頻段X射線成像巡天的天文衛星HXMT，其中的分系統-低能X射線，其頻段為1.0-15keV，該X射線望遠鏡用于探索脈沖星導航。

目前，由于系統認知和技術水平的限制，還沒有出現實用的X射線脈沖星導航系統。脈沖星導航技術仍處在空間實驗驗證和應用方法研究上。通常意義上的X射線脈沖星導航通過測量同一脈沖到達航天器和到達SSB的時間差來計算航天器在該脈沖星方向相對于SSB的位移，再結合多顆脈沖星方向上的位移即可確定航天器在SSB坐標系下航天器位置。本說明書中將這種利用光行時的導航方式稱之為基于計時觀測的脈沖星導航方法。基于計時觀測的脈沖星導航方法具有多種優越的導航特性包括：(1)自主導航能力增強；(2)從近地軌道、深空至星際空間飛行的持續導航能力；(3)提供良好的外部時間頻率基準；(4)有利于減少維護成本和提高抗干擾能力。

但是該方法也有許多不足之處：(1)X射線脈沖星信號極其微弱，為了捕獲足夠多的光子信號必須增加探測器面積，從而增加了成本和總負載；(2)導航精度受諸多因素的限制，如相對論修正精度、脈沖星計時模型精度、位相測量精度等等，導致精度較差；(3)由于成本和精度的限制導致這種導航方式在軌道衛星導航中沒有明顯的應用優勢。這些不足導致X射線脈沖星導航的在軌應用受限，而另一方面X射線脈沖星的許多固有屬性沒有得到充分利用，比如精確的輻射方向矢量，也可以作為脈沖星導航系統中的信源。因此挖掘X射線脈沖星潛在的導航能力，擴展其導航模式，豐富其導航理論，十分有利于推動其實用化進程，豐富其應用領域。

發明內容

針對上述問題，本發明的主要目的在于：為了深入挖掘X射線脈沖星的導航能力，提升X射線脈沖星導航精度，擴展其導航應用，豐富其導航理論，提供了一種基于X射線脈沖星的星座定向方法及其仿真模擬系統，該方法能用于地球或其它近天體的軌道星座或編隊衛星定向，該仿真模擬系統為該方法提供地面仿真模擬和演示驗證平臺。

為實現上述目的，本發明的實現方法和技術解決方案為：一種基于X射線脈沖星的星座定向仿真模擬系統及方法，其特征在于包括：基于X射線的星座定向方法利用星間鏈路或者X射線脈沖星信號在衛星間傳播光行時差測量星間相對距離，獲取星座內衛星基線之間的夾角，同時星載X射線探測器配合準直器提取脈沖星輻射方向矢量，并計算該矢量與衛星基線之間的夾角，進而計算該矢量與星座平面之間的夾角，星載計算機再利用多顆脈沖星輻射方向矢量與星座平面的夾角，測定星座的整體旋轉和漂移并修正；基于X射線脈沖星的星座定向仿真模擬系統包括：信號模擬單元，時間保持單元、調制單元、可控光時延單元、光學發送單元、光學接收單元、光子探測單元和定向模擬單元；信號模擬單元調用太陽行星參數庫、脈沖星特征參數庫和星座軌道參數數據庫中參數數據完成脈沖星信號特征重建，并具有軌道調制特性的脈沖星信號；該信號送入時間保持單元，被賦予精確歷元，送至調制單元；調制單元與可控光時延單元配合，生成具有實際脈沖星信號物理表現的光子流；光子流通過光學發送單元送至光學接收單元，并由光子探測與計數單元記錄光子到達時間，形成光子計數序列，送至星座定向模擬單元，經過姿態濾波后提取信號完好時段數據，利用調用太陽行星參數庫、脈沖星特征參數庫、星座軌道參數和導航算法數據庫中參數數據完成脈沖星信號特征恢復和重建，進而利用基于X射線脈沖星的星座定向方法完成星座定向。

所述的基于X射線的星座定向方法也能夠結合X射線脈沖星到達時間，用于確定絕對時空基準。