一種基于x射線脈沖星的星座定向仿真系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于X射線脈沖星的星座定向仿真模擬系統(tǒng)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(hào)在衛(wèi)星間傳播光行時(shí)差測(cè)量星間相對(duì)距離，獲取星座內(nèi)衛(wèi)星基線之間的夾角，同時(shí)星載X射線探測(cè)器配合準(zhǔn)直器提取脈沖星輻射方向矢量，并計(jì)算該矢量與衛(wèi)星基線之間的夾角，進(jìn)而計(jì)算該矢量與星座平面之間的夾角，星載計(jì)算機(jī)再利用多顆脈沖星輻射方向矢量與星座平面的夾角，測(cè)定地球軌道編隊(duì)衛(wèi)星或星座的整體旋轉(zhuǎn)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(tǒng)包括：信號(hào)模擬單元，時(shí)間保持單元、調(diào)制單元、可控光時(shí)延單元、光學(xué)發(fā)送單元、光學(xué)接收單元、光子探測(cè)單元和定向模擬單元；可以仿真模擬X射線脈沖星定向中從信號(hào)產(chǎn)生、傳輸、采集、處理和定向算法的實(shí)現(xiàn)。
【專利說明】一種基于X射線脈沖星的星座定向仿真系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于導(dǎo)航【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于X射線脈沖星的星座定向仿真系統(tǒng)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(duì)衛(wèi)星提供定向服務(wù)，該仿真模擬系統(tǒng)為該方法提供地面仿真模擬和演示驗(yàn)證平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002]X射線脈沖星導(dǎo)航能夠?yàn)閺慕剀壍?、深空直至星際空間的航天器提供高精度的位置、速度、姿態(tài)以及定時(shí)服務(wù)，近年來已逐漸成為國際國內(nèi)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域。1981年，美國通信系統(tǒng)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(dǎo)航的構(gòu)想；1999年，搭載USA試驗(yàn)設(shè)備的美國空軍先進(jìn)研究與全球觀測(cè)衛(wèi)星”被發(fā)射進(jìn)入預(yù)定軌道，USA開展空間科學(xué)試驗(yàn)研究中包括了一項(xiàng)有關(guān)X射線導(dǎo)航的主題研究；2004年8月，美國航空航天局和海軍天文臺(tái)等多家單位著手?jǐn)M定和啟動(dòng)脈沖星導(dǎo)航的研究計(jì)劃，同時(shí)X射線脈沖星導(dǎo)航已納入國防部長期發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要，并逐年增加項(xiàng)目研究經(jīng)費(fèi)，持續(xù)開展脈沖星導(dǎo)航的理論方法研究、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和原理樣機(jī)研制等方面的研究工作。我國在空間科學(xué)十一五規(guī)劃中也包括了發(fā)射用于實(shí)現(xiàn)l_250keV寬頻段X射線成像巡天的天文衛(wèi)星HXMT，其中的分系統(tǒng)-低能X射線，其頻段為1.0-15keV,該X射線望遠(yuǎn)鏡用于探索脈沖星導(dǎo)航。
[0003]目前，由于系統(tǒng)認(rèn)知和技術(shù)水平的限制，還沒有出現(xiàn)實(shí)用的X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)。脈沖星導(dǎo)航技術(shù)仍處在空間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和應(yīng)用方法研究上。通常意義上的X射線脈沖星導(dǎo)航通過測(cè)量同一脈沖到達(dá)航天器和到達(dá)SSB的時(shí)間差來計(jì)算航天器在該脈沖星方向相對(duì)于SSB的位移，再結(jié)合多顆脈沖星方向上的位移即可確定航天器在SSB坐標(biāo)系下航天器位置。本說明書中將這種利用光行時(shí)的導(dǎo)航方式稱之為基于計(jì)時(shí)觀測(cè)的脈沖星導(dǎo)航方法?；谟?jì)時(shí)觀測(cè)的脈沖星導(dǎo)航方法具有多種優(yōu)越的導(dǎo)航特性包括:(I)自主導(dǎo)航能力增強(qiáng)；(2)從近地軌道、深空至星際空間飛行的持續(xù)導(dǎo)航能力；(3)提供良好的外部時(shí)間頻率基準(zhǔn)；(4)有利于減少維護(hù)成本和提聞抗干擾能力。
[0004]但是該方法也有許多不足之處:(I)X射線脈沖星信號(hào)極其微弱，為了捕獲足夠多的光子信號(hào)必須增加探測(cè)器面積，從而增加了成本和總負(fù)載；(2)導(dǎo)航精度受諸多因素的限制，如相對(duì)論修正精度、脈沖星計(jì)時(shí)模型精度、位相測(cè)量精度等等，導(dǎo)致精度較差；(3)由于成本和精度的限制導(dǎo)致這種導(dǎo)航方式在軌道衛(wèi)星導(dǎo)航中沒有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。這些不足導(dǎo)致X射線脈沖星導(dǎo)航的在軌應(yīng)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(dǎo)航系統(tǒng)中的信源。因此挖掘X射線脈沖星潛在的導(dǎo)航能力，擴(kuò)展其導(dǎo)航模式，豐富其導(dǎo)航理論，十分有利于推動(dòng)其實(shí)用化進(jìn)程，豐富其應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)上述問題，本發(fā)明的主要目的在于:為了深入挖掘X射線脈沖星的導(dǎo)航能力，提升X射線脈沖星導(dǎo)航精度，擴(kuò)展其導(dǎo)航應(yīng)用，豐富其導(dǎo)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(tǒng)，該方法能用于地球或其它近天體的軌道星座或編隊(duì)衛(wèi)星定向，該仿真模擬系統(tǒng)為該方法提供地面仿真模擬和演示驗(yàn)證平臺(tái)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)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(tǒng)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(hào)在衛(wèi)星間傳播光行時(shí)差測(cè)量星間相對(duì)距離，獲取星座內(nèi)衛(wèi)星基線之間的夾角，同時(shí)星載X射線探測(cè)器配合準(zhǔn)直器提取脈沖星輻射方向矢量，并計(jì)算該矢量與衛(wèi)星基線之間的夾角，進(jìn)而計(jì)算該矢量與星座平面之間的夾角，星載計(jì)算機(jī)再利用多顆脈沖星輻射方向矢量與星座平面的夾角，測(cè)定星座的整體旋轉(zhuǎn)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(tǒng)包括:信號(hào)模擬單元，時(shí)間保持單元、調(diào)制單元、可控光時(shí)延單元、光學(xué)發(fā)送單元、光學(xué)接收單元、光子探測(cè)單元和定向模擬單元；信號(hào)模擬單元調(diào)用太陽行星參數(shù)庫、脈沖星特征參數(shù)庫和星座軌道參數(shù)數(shù)據(jù)庫中參數(shù)數(shù)據(jù)完成脈沖星信號(hào)特征重建，并具有軌道調(diào)制特性的脈沖星信號(hào)；該信號(hào)送入時(shí)間保持單元，被賦予精確歷元，送至調(diào)制單元；調(diào)制單元與可控光時(shí)延單元配合，生成具有實(shí)際脈沖星信號(hào)物理表現(xiàn)的光子流；光子流通過光學(xué)發(fā)送單元送至光學(xué)接收單元，并由光子探測(cè)與計(jì)數(shù)單元記錄光子到達(dá)時(shí)間，形成光子計(jì)數(shù)序列，送至星座定向模擬單元，經(jīng)過姿態(tài)濾波后提取信號(hào)完好時(shí)段數(shù)據(jù)，利用調(diào)用太陽行星參數(shù)庫、脈沖星特征參數(shù)庫、星座軌道參數(shù)和導(dǎo)航算法數(shù)據(jù)庫中參數(shù)數(shù)據(jù)完成脈沖星信號(hào)特征恢復(fù)和重建，進(jìn)而利用基于X射線脈沖星的星座定向方法完成星座定向。
[0007]所述的基于X射線的星座定向方法也能夠結(jié)合X射線脈沖星到達(dá)時(shí)間，用于確定絕對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)。
[0008]所述的X射線脈沖星信號(hào)在衛(wèi)星間傳播光行時(shí)為同一脈沖星輻射脈沖分別到達(dá)兩顆衛(wèi)星的時(shí)間差，該時(shí)間差等于光速經(jīng)過星間基線在脈沖星輻射方向投影距離所需要的時(shí)間。
[0009]所述的基于X射線脈沖星信號(hào)衛(wèi)星間傳播光行時(shí)的相對(duì)距離測(cè)量方法為:利用4顆X射線脈沖星數(shù)據(jù)可確定衛(wèi)星的相對(duì)位置S
【權(quán)利要求】
1.一種基于X射線脈沖星的星座定向仿真模擬系統(tǒng)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(hào)在衛(wèi)星間傳播光行時(shí)差測(cè)量星間相對(duì)距離，獲取星座內(nèi)衛(wèi)星基線之間的夾角，同時(shí)星載X射線探測(cè)器配合準(zhǔn)直器提取脈沖星輻射方向矢量，并計(jì)算該矢量與衛(wèi)星基線之間的夾角，進(jìn)而計(jì)算該矢量與星座平面之間的夾角，星載計(jì)算機(jī)再利用多顆脈沖星輻射方向矢量與星座平面的夾角，測(cè)定星座的整體旋轉(zhuǎn)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(tǒng)包括:信號(hào)模擬單元，時(shí)間保持單元、調(diào)制單元、可控光時(shí)延單元、光學(xué)發(fā)送單元、光學(xué)接收單元、光子探測(cè)單元和定向模擬單元；信號(hào)模擬單元調(diào)用太陽行星參數(shù)庫、脈沖星特征參數(shù)庫和星座軌道參數(shù)數(shù)據(jù)庫中參數(shù)數(shù)據(jù)完成脈沖星信號(hào)特征重建，并具有軌道調(diào)制特性的脈沖星信號(hào)；該信號(hào)送入時(shí)間保持單元，被賦予精確歷元，送至調(diào)制單元；調(diào)制單元與可控光時(shí)延單元配合，生成具有實(shí)際脈沖星信號(hào)物理表現(xiàn)的光子流；光子流通過光學(xué)發(fā)送單元送至光學(xué)接收單元，并由光子探測(cè)與計(jì)數(shù)單元記錄光子到達(dá)時(shí)間，形成光子計(jì)數(shù)序列，送至星座定向模擬單元，經(jīng)過姿態(tài)濾波后提取信號(hào)完好時(shí)段數(shù)據(jù)，調(diào)用太陽行星參數(shù)庫、脈沖星特征參數(shù)庫、星座軌道參數(shù)和導(dǎo)航算法數(shù)據(jù)庫中參數(shù)數(shù)據(jù)完成脈沖星信號(hào)特征恢復(fù)和重建，進(jìn)而利用基于X射線脈沖星的星座定向方法完成星座定向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的基于X射線的星座定向方法也能夠結(jié)合X射線脈沖星到達(dá)時(shí)間，用于確定絕對(duì)時(shí)空基準(zhǔn)；所述的X射線脈沖星信號(hào)在衛(wèi)星間傳播光行時(shí)為同一脈沖星輻射脈沖分別到達(dá)兩顆衛(wèi)星的時(shí)間差，該時(shí)間差等于光速經(jīng)過星間基線在脈沖星輻射方向投影距離所需要的時(shí)間；所述的基于X射線脈沖星信號(hào)衛(wèi)星間傳播光行時(shí)的相對(duì)距離測(cè)量方法為:利用4顆X射線脈沖星數(shù)據(jù)可確定衛(wèi)星的相對(duì)位置S
3.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的星座內(nèi)衛(wèi)星之間的夾角的測(cè)量方法為:首先利用星間鏈路或脈沖星信號(hào)的星間傳播光行時(shí)測(cè)量星座內(nèi)三顆衛(wèi)星的基線長度，然后利用余弦定理計(jì)算基線夾角；所述的脈沖星輻射方向矢量和星座內(nèi)衛(wèi)星基線之間的夾角的測(cè)量方法為:脈沖星信號(hào)星間傳播光行時(shí)與星間基線長度的關(guān)系為Θ =arccOS(l/d)，其中d為基線長度，I為脈沖星信號(hào)光行時(shí)；所述的星座平面為星座中任意3顆衛(wèi)星所構(gòu)成的平面；所述的衛(wèi)星基線為星座中兩顆衛(wèi)星之間連線；所述的信號(hào)模擬單元由一臺(tái)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，包括了太陽系行星參數(shù)庫、脈沖星特征參數(shù)庫和星座軌道數(shù)據(jù)庫；信號(hào)模擬單元計(jì)算機(jī)調(diào)用各個(gè)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，利用脈沖星信號(hào)相位演化模型和信號(hào)生成方法重建脈沖星信號(hào)特征，形成具有軌道調(diào)制特性的脈沖星信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3，所述的信號(hào)生成方法為:首先建立計(jì)算機(jī)內(nèi)虛擬歷元和基于該歷元的脈沖星信號(hào)相位演化模型，從而建立基于太陽系質(zhì)心的脈沖到達(dá)時(shí)間模型，再調(diào)用太陽系行星星歷數(shù)據(jù)庫，計(jì)算太陽系質(zhì)心到地球質(zhì)心的光行時(shí)，并做時(shí)間轉(zhuǎn)換，得到基于地球質(zhì)心脈沖到達(dá)時(shí)間，然后調(diào)用星座軌道數(shù)據(jù)庫，將該到達(dá)時(shí)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換到衛(wèi)星處，得到脈沖星信號(hào)到達(dá)衛(wèi)星的光子序列，該光子序列即為模擬生成的信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求3，所述的重建脈沖星信號(hào)特征，除了輪廓、周期外，還包括脈沖星在天球坐標(biāo)中的位置、脈沖星流量強(qiáng)度、背景噪聲輻射強(qiáng)度、周期變化率等參數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1，所述的軌道調(diào)制特性是指模擬生成的脈沖星信號(hào)的到達(dá)時(shí)間包括了衛(wèi)星軌道位置變化引起的到達(dá)時(shí)變化；所述的時(shí)間保持單元由GPS和高穩(wěn)定溫補(bǔ)晶振構(gòu)成；所述的調(diào)制單元包括調(diào)制與驅(qū)動(dòng)部分和可見光源，該調(diào)制單元的主要作用是利用信號(hào)模擬單元生成的模擬信號(hào)，調(diào)制驅(qū)動(dòng)可見光源形成物理表現(xiàn)形式與實(shí)際X射線脈沖星一致的光子流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和權(quán)利要求6，所述的可見光源可以是激光二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1，所`述的可控光時(shí)延單元可以使用光時(shí)延器件，或者在調(diào)制單元中使用存儲(chǔ)器通過緩存數(shù)據(jù)的方法實(shí)現(xiàn)；所述的光學(xué)發(fā)送單元主要由衰減片和光學(xué)天線構(gòu)成，用于調(diào)節(jié)發(fā)射光束的發(fā)散角和強(qiáng)度；所述的光學(xué)接收單元有光學(xué)準(zhǔn)直器、衰減片、濾光片和支撐萬向架構(gòu)成；所述的光子探測(cè)與計(jì)數(shù)單元包括光子計(jì)數(shù)器、GPS定時(shí)接收機(jī)和高穩(wěn)定度溫補(bǔ)晶振；所述的星座定向模擬單元主要完成星座定向算法。
【文檔編號(hào)】G01C21/02GK103674020SQ201210323581
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2012年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2012年9月4日
【發(fā)明者】張華 , 許錄平, 田玉琴, 鄒力涵, 宋詩斌 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)