[發(fā)明專利]一種基于X射線脈沖星的深空授時(shí)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110490231.5
• 申請(qǐng)日: 2021-05-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113219815B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-06-07
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 童明雷;韓孟納;趙成仕;朱幸芝;楊廷高
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家授時(shí)中心
• 主分類號(hào): G04F5/14
• 分類號(hào): G04F5/14
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 顧潮琪

本發(fā)明提供了一種基于X射線脈沖星的深空授時(shí)方法，開(kāi)展脈沖星地面射電觀測(cè)，確定脈沖星的方位和自轉(zhuǎn)參數(shù)，得到脈沖星計(jì)時(shí)模型以預(yù)報(bào)脈沖到達(dá)SSB的時(shí)間；衛(wèi)星上的探測(cè)器對(duì)該脈沖星開(kāi)展X射線波段觀測(cè)，將光子到達(dá)航天器的時(shí)刻轉(zhuǎn)換至SSB，并在SSB處折疊出積分脈沖輪廓；積分脈沖輪廓與標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓在頻域互相關(guān)得到TOA，與計(jì)時(shí)模型預(yù)報(bào)TOA做差，得到擬合前計(jì)時(shí)殘差；對(duì)擬合前計(jì)時(shí)殘差擬合線性項(xiàng)，得到被駕馭星載原子鐘的頻率偏差；根據(jù)頻率偏差對(duì)參考星載原子鐘記錄的光子到達(dá)時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償后重新得到測(cè)量TOA，完成頻率駕馭。本發(fā)明能夠改善星載鐘的頻率偏差，提高星載鐘的準(zhǔn)確度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于X射線脈沖星深空授時(shí)應(yīng)用的技術(shù)領(lǐng)域，涉及X射線脈沖星計(jì)時(shí)模型的建立，以及利用自轉(zhuǎn)高度穩(wěn)定的脈沖星對(duì)星載原子鐘的頻率偏差進(jìn)行改正的方法。

背景技術(shù)

對(duì)于多數(shù)繞地飛行、執(zhí)行PNT(導(dǎo)航、定位、定時(shí))任務(wù)的航天器，是通過(guò)接收地球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS的時(shí)間信號(hào)來(lái)保持時(shí)間的準(zhǔn)確性。這種方式需要根據(jù)導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道高度提前對(duì)衛(wèi)星鐘進(jìn)行頻率調(diào)整，并定期與地面站比對(duì)時(shí)間，以修正原子鐘的輸出時(shí)間或走速，保持與地球時(shí)TT的一致。但這種時(shí)間接收方法只適用于在地球表面近地空間飛行的航天器，對(duì)于更廣闊的太陽(yáng)系以及星際空間，由于距離問(wèn)題，高軌衛(wèi)星無(wú)法接收到GNSS播發(fā)的時(shí)間信號(hào)，只能通過(guò)本身攜帶的星載鐘來(lái)定時(shí)。對(duì)于GPS信號(hào)，由于GPS衛(wèi)星由美國(guó)控制其星座調(diào)整，需對(duì)衛(wèi)星上的GPS接收機(jī)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，致使目前GPS接收系統(tǒng)仍不十分可靠。尤其隨著我國(guó)國(guó)力的日漸增強(qiáng)，應(yīng)提高技術(shù)研發(fā)自主性，盡量減少對(duì)國(guó)外技術(shù)的依賴。

脈沖星是恒星超新星爆發(fā)后的產(chǎn)物，其最重要的特征是輻射信號(hào)周期的穩(wěn)定性且脈沖輪廓具有可辨識(shí)性。尤其是毫秒脈沖星，由于具有很大的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能以及相對(duì)較小的自轉(zhuǎn)能量損失率，自轉(zhuǎn)高度穩(wěn)定，其長(zhǎng)期穩(wěn)定度可媲美高精度的原子鐘。目前發(fā)現(xiàn)的眾多脈沖星中，有不少具有從射電到X射線的全波段輻射。其中，X射線波段輻射集中了脈沖星絕大部分的輻射能量，易于被小型化探測(cè)器接收，降低了探測(cè)器的制造成本。且X射線難于穿過(guò)地球稠密大氣層，對(duì)其觀測(cè)只能在空間進(jìn)行，因此將光子到達(dá)時(shí)刻改正到SSB過(guò)程，無(wú)需考慮地球電離層、對(duì)流層傳播時(shí)延以及色散效應(yīng)，降低了數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性。作為脈沖星的眾多應(yīng)用之一，航天器定位及姿態(tài)控制，主要基于脈沖星的X射線波段觀測(cè)。

對(duì)于X射線脈沖星觀測(cè)而言，光子到達(dá)探測(cè)器時(shí)刻的測(cè)量精度取決于星載時(shí)鐘的穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度。原子鐘的輸出頻率為一個(gè)恒定的標(biāo)稱值和一個(gè)由相位擾動(dòng)引起的變化項(xiàng)之和，變化項(xiàng)使得原子鐘的輸出時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的鐘差越來(lái)越大。對(duì)于星載原子鐘而言，由于頻率源輸出頻率的不穩(wěn)定以及航天器所處空間磁場(chǎng)環(huán)境的變化，它的輸出頻率與標(biāo)稱頻率之間會(huì)存在一個(gè)頻率偏差，該偏差值會(huì)影響航天器本地時(shí)間的準(zhǔn)確性。基于毫秒脈沖星自轉(zhuǎn)頻率的變化率很小及壽命長(zhǎng)的特性，可將其作為一種天然的頻率源，駕馭深空及星際空間中的星載原子鐘，提高鐘的準(zhǔn)確度。X射線脈沖星深空授時(shí)方法有助于減緩我國(guó)衛(wèi)星對(duì)GNSS系統(tǒng)時(shí)間的依賴，對(duì)執(zhí)行深空探測(cè)及星際空間飛行任務(wù)的航天器的高性能時(shí)間保持具有非常重要的意義。時(shí)間基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度以及時(shí)間的比較和傳遞問(wèn)題是空間計(jì)量的基本問(wèn)題，而脈沖星的脈沖周期、脈沖輪廓及空間位置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性使其成為空間計(jì)量的重要工具。由于不同空間位置的鐘所受引力勢(shì)不同，其走時(shí)速率亦不同，因此也可通過(guò)X射線脈沖星觀測(cè)統(tǒng)一時(shí)間基準(zhǔn)，建立大尺度廣域時(shí)空的守時(shí)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于X射線脈沖星的深空授時(shí)方法，通過(guò)觀測(cè)脈沖星的X射線信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)星載時(shí)鐘的頻率駕馭，能夠減小星載原子鐘的頻率偏差，提高星載鐘的準(zhǔn)確度，適用于整個(gè)太陽(yáng)系以及星際空間的授時(shí)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括以下步驟：

1)以地球時(shí)TT為參考時(shí)間，開(kāi)展脈沖星地面射電觀測(cè)，確定脈沖星的方位和自轉(zhuǎn)參數(shù)，得到脈沖星計(jì)時(shí)模型以預(yù)報(bào)脈沖到達(dá)SSB的時(shí)間；