一种天基脉冲星导航数据库的构建方法
【专利摘要】一种天基脉冲星导航数据库的构建方法，（1）建立单段观测精度与观测周期、有效探测面积及脉冲星参数的关系；（2）建立累积观测时间与计时残差的方差、有效探测面积及脉冲星参数的关系；（3）选取数据库候选源；（4）计算候选源在给定的var(Δt)时，在不同的有效探测面积下所需要的累积观测时间；（5）选取优选数据库导航源；（6）选取有效探测面积，并对优选数据库导航源的观测时间进行分配；（7）发射所述的天基观测卫星，该卫星绕地球运行并按照配的观测时间对不同的优选数据库导航源进行观测，将观测数据下传到地面；（8）对下传数据进行拟和，得到每颗优选数据库导航源的参数，该参数主要用于航天器的脉冲星导航计算。
【专利说明】一种天基脉冲星导航数据库的构建方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天器自主导航【技术领域】，涉及一种天基脉冲星导航数据库的构建方法。
【背景技术】
[0002]X射线脉冲星导航是实现航天器长时间高精度自主导航最有希望取得突破的技术，具有重要的工程应用价值，备受国际航天机构关注。2004年，美国国防部提出X射线脉冲星导航研究计划(XNAV)，目前已完成可行论证、关键技术攻关与地面验证，即将在国际空间站和高轨道卫星上开展空间飞行试验。此外，欧洲空间局(ESA)、俄罗斯、德国、日本、英国、印度和澳大利亚等国家或组织也启动了 X射线脉冲星导航理论方法和试验验证研究。
[0003]构建数据库是开展脉冲星导航研究的基础和前提条件，具体内容包括导航源脉冲星的优选、通过长期观测对导航源参数的测定、X射线脉冲星编目和导航数据库设计等。考虑到脉冲星辐射的X射线信号不能穿过稠密大气层，国外利用地面大口径射电望远镜对脉冲星进行长达数十年的观测研究，积累了海量观测数据，因此构建数据库通常采取地面观测为主、天基观测为辅的方案:首先分析处理地基射电脉冲星长期观测数据，获取脉冲星精密角位置(赤经和赤纬)以及计时模型等参数；然后通过天基观测获取相应脉冲星的X射线数据，标定射电脉冲轮廓与X射线脉冲星轮廓的延迟量；最后构建适用于航天器自主导航的数据库。
[0004]我国目前尚未建成大口径的射电望远镜投入脉冲星观测研究，且需要长期积累观测数据，才能精确测定脉冲星参数。天基X射线脉冲星观测具有独特的优势，这是地基射电脉冲星观测所不能比拟的。例如，Vela星云脉冲星在1.4GHz处射电流量为IlOOmJyji于天基X射线探测器有效探测面积为2500cm2 (口径为28.2cm)，其观测效率相当于地面口径为3.7km的射电望远镜。目前尚未检索到有关天基脉冲星导航数据库构建方法的专门论述。因此，本发明从实际工程应用角度，提出直接利用天基观测数据，构建X射线脉冲星导航数据库的数学模型和基本方法，以满足脉冲星导航未来工程发展需求。
【发明内容】
[0005]本发明的技术解决问题是:提出一种天基脉冲星导航数据库构建方法，从而有利于更高效地构建脉冲星导航数据库，满足脉冲星导航未来工程发展对数据库的需求。
[0006]本发明的技术解决方案是:一种天基脉冲星导航数据库的构建方法，步骤如下:
[0007](I)建立单段观测精度ε与观测周期、有效探测面积Ad及脉冲星参数PSR的关系ε = ε (t.Ad，PSR)，所述的脉冲星参数PSR包括脉冲星角位置δ与α，脉冲比例Pf，脉冲半高宽W，脉冲周期P，脉冲信号源流量Rs，背景噪声流量Rb，其中δ为脉冲星赤纬，α为脉冲星赤径；
[0008](2)利用步骤(I)建立的单段观测精度ε与观测周期、有效探测面积Ad及脉冲星参数PSR的关系，建立累积观测时间tY与计时残差的方差var ( Δ t)、有效探测面积Ad及脉冲星参数PSR的关系tY=tY {var (At), Ad, PSR}；
[0009](3)选取带有X射线辐射的射电脉冲星，按照品质因子1由高到低选取10-50颗脉冲星作为数据库候选源；
[0010](4)利用步骤(2)建立的关系tY=tY{var ( Δ t)，Ad, PSR}计算步骤(3)所确定的候选源在给定的var(At)时，在不同的有效探测面积下所需要的累积观测时间；
[0011](5)对候选源按步骤(4)计算的累积观测时间进行由短至长进行排序，综合考虑天基观测卫星的在轨工作寿命，选取4-8颗累计观测时间短的候选源作为优选数据库导航源；
[0012](6)根据步骤(4)的计算结果，选取有效探测面积Ad，并对优选数据库导航源的观测时间进行分配；
[0013](7)发射所述的天基观测卫星，该卫星绕地球运行并按照步骤(6)分配的观测时间对不同的优选数据库导航源进行观测，并将观测数据下传到地面；
[0014](8)对下传数据进行拟和，得到每颗优选数据库导航源的参数，该参数主要用于航天器的脉冲星导航计算。
[0015]所述步骤(2)的具体实现步骤如下:
[0016](2.1)根据太阳系质心沿脉冲星方向至探测器的距离对脉冲星角位置求偏导，得到偏导系数Rs与Ra，进而建立计时残差At与脉冲星角位置误差(Λ δ，Λ a )的
关系:At=At (Λ δ，Λ a )，其中，Λ δ为脉冲星赤纬估计值#与真实值δ的差，即
AS = S-S, Δ Q为脉冲星赤径估计值?与真实值α的差，即= ? —a;
[0017](2.2)对(2.1)中建立的关系求方差处理，建立计时残差的方差var(At)与角位
置估计方差阵的关系:var(Ai) = V1 {var([#?af)};
[0018](2.3)对观测时间进行分段，利用步骤(2.1)中的偏导系数Rs与1，使用求和的方法计算角位置估计方差阵￥ar([4af )；
[0019](2.4)用沿探测器随地球绕日公转轨道的积分来代替(2.3)中的求和，并利用步
骤(I)中关系式与步骤(2.2)中的关系式var(AO = V11var([--?]1 ){.?建立累积观测时
间tY与计时残差的方差var (At)、有效探测面积Ad及脉冲星参数PSR的解析形式关系:tY=tY {var (At), Ad, PSR}。
[0020]本发明与现有技术相比有益效果为:
[0021](I)本发明能够实现高效脉冲星导航数据库构建
[0022]天基脉冲星观测具有独特的优势，这是地基射电脉冲星观测所不能比拟的。例如，Vela星云脉冲星在1.4GHz处射电流量为I IOOmJy，对于天基X射线探测器有效探测面积为2500cm2 (口径为28.2cm)，其观测效率相当于地面口径为3.7km的射电望远镜。
[0023](2)本发明能够实现脉冲星参数的高精度测定
[0024]计时观测的可观测度取决于星载探测器在空间的周期运动，星载探测器随地球绕日公转运动有效加大了计时观测的基线长度，将观测数据均匀分布到公转轨道的不同相位上，能够达到高精度的脉冲星参数测定效果。[0025](3)本发明给出了累积观测时间的精确计算方法，能够分配不同导航源的观测时间，进而有效利用观测资源。
[0026]对于设定的计时残差目标，给定有效探测面积，可以精确计算不同导航源所需累积观测时间，进而将各导航源的观测时段均匀分布到公布轨道的不同相位上，达到最佳观测效果，从而最大限度地的利用天基观测资源。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明的天基脉冲星导航数据库的构建的流程图；
[0028]图2为本发明的天基无间隙观测模式与有间隙观测模式示意图；
[0029]图3为本发明具体实施例的天基观测系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述:
[0031]如图1所示，本发明实现天基脉冲星导航数据库的构建的过程为:
[0032](I)建立单段观测精度ε与观测周期、有效探测面积Ad及脉冲量参数PSR的关系:ε = ε (tobs, Ad, PSR);脉冲量参数 PSR 为(δ，α，Pf，ff, P，Rs，Rb)，其中，δ 与 a 为脉冲星角位置:δ为脉冲星赤纬，α为脉冲星赤径，pf为脉冲比例,W为脉冲半高宽,P为脉冲周期，Rs为脉冲信号源流量，Rb为背景噪声流量；ε (tobs, Ad, PSR)计算公式为:
【权利要求】
1.一种天基脉冲星导航数据库的构建方法，其特征在于步骤如下: (1)建立单段观测精度ε与观测周期、有效探测面积Ad及脉冲星参数PSR的关系ε = ε (tobs, Ad, PSR)，所述的脉冲星参数PSR包括脉冲星角位置δ与α，脉冲比例pf，脉冲半高宽W，脉冲周期P，脉冲信号源流量Rs，背景噪声流量Rb，其中δ为脉冲星赤纬，α为脉冲星赤径； (2)利用步骤(I)建立的单段观测精度ε与观测周期、有效探测面积Ad及脉冲星参数PSR的关系，建立累积观测时间tY与计时残差的方差var ( Δ t)、有效探测面积Ad及脉冲星参数 PSR 的关系 tY=tY {var (At), Ad, PSR}； (3)选取带有X射线辐射的射电脉冲星，按照品质因子1由高到低选取10-50颗脉冲星作为数据库候选源； (4)利用步骤(2)建立的关系tY=tY{var( Δ t)，Ad, PSR}计算步骤(3)所确定的候选源在给定的var(At)时，在不同的有效探测面积下所需要的累积观测时间； (5)对候选源按步骤(4)计算的累积观测时间进行由短至长进行排序，综合考虑天基观测卫星的在轨工作寿命，选取4-8颗累计观测时间短的候选源作为优选数据库导航源； (6)根据步骤(4)的计算结果，选取有效探测面积Ad，并对优选数据库导航源的观测时间进行分配； (7)发射所述的天基观测卫星，该卫星绕地球运行并按照步骤(6)分配的观测时间对不同的优选数据库导航源进行观测，并将观测数据下传到地面； (8)对下传数据进行拟和，得到每颗优选数据库导航源的参数，该参数主要用于航天器的脉冲星导航计算。
2.根据权利要求1所述的一种天基脉冲星导航数据库的构建方法，其特征在于:所述步骤(2)的具体实现步骤如下: (2.1)根据太阳系质心沿脉冲星方向至探测器的距离对脉冲星角位置求偏导，得到偏导系数Rs与Ra，进而建立计时残差At与脉冲星角位置误差(Λ δ, Δ a )的关系:At= At(Δ δ，Δ a )，其中，Δ δ为脉冲星赤纬估计值及与真实值δ的差，即Δ在=#_在，Δ α为脉冲星赤径估计值?与真实值α的差，即= (2.2)对(2.1)中建立的关系求方差处理，建立计时残差的方差var(At)与角位置估计方差阵 对.)的关系:var(A/) = V1 {var([武?]τ)}; (2.3)对观测时间进行分段，利用步骤(2.1)中的偏导系数Rs与1，使用求和的方法计算角位置估计方差阵); (2.4)用沿探测器随地球绕日公转轨道的积分来代替(2.3)中的求和，并利用步骤Cl)中关系式与步骤(2.2)中的关系式Var(Ai) = V1 |var([i>',0]' )j，建立累积观测时间tY与计时残差的方差var (At)、有效探测面积Ad及脉冲星参数PSR的解析形式关系:tY=tY {var (At)，Adj PSR} ?
【文档编号】G01C21/02GK103471585SQ201310381662
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月28日 优先权日:2013年8月28日
【发明者】黄良伟, 帅平, 贝晓敏, 吴耀军, 陈绍龙, 陈强, 张倩 申请人:中国空间技术研究院