CN103644907B - 一种基于双卫星平台的脉冲星角位置测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于双卫星平台的脉冲星角位置测量系统及方法，在外层空间中利用两个共轨运行的卫星同时对一颗脉冲星X射线辐射信号进行观测，利用互相关处理技术，对脉冲星的角位置进行测定，提高了脉冲星角位置的测量精度，从而满足基于X射线脉冲星的高精度自主导航的应用需求。

Description

一种基于双卫星平台的脉冲星角位置测量系统及方法

技术领域

本发明属于航天器自主导航技术领域，具体涉及一种基于双卫星平台的脉冲星角位置测量系统及方法。

背景技术

脉冲星角位置误差是脉冲星导航计时残差的主要来源，现有的脉冲星角位置的测量是通过在地面设置射电望远镜，通过地面射电观测网对脉冲星的角位置进行测量，由于望远镜的分辨率与波长成反比，射电频段的波长限制了望远镜的分辨率，其精度只有10mas，远达不到脉冲星高精度自主导航0.1mas的需求。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于双卫星平台的脉冲星角位置测量系统及方法，在外层空间中利用两个共轨运行的卫星平台同时对一颗脉冲星X射线辐射信号进行观测，利用互相关处理技术，对脉冲星的角位置进行精确测定，从而满足基于X射线脉冲星的高精度自主导航的应用需求。

一种基于卫星平台的脉冲星角位置测量系统，包含两个共轨运行的卫星平台和一个数据处理中心，两个卫星平台通过星间链路连接；所述的两个卫星平台分别对同一颗脉冲星X射线辐射信号进行探测，并将探测到的脉冲星X射线辐射光子打上时标，得到光子到达时间序列信息；所述的数据处理中心将利用GPS接收机获取的绝对位置信息和星间链路信息对两个卫星平台探测的两组光子到达时间序列进行光程差的补偿和修正，然后对这两组光子到达时间序列进行互相关处理，得到脉冲星角位置信息。

所述的卫星平台包括X射线探测器、星载原子钟、GPS接收机、星间链路、大容量数据存储中心、数据下传通道；所述的数据处理中心为地面数据处理中心，且该系统还包括地面接收站；

X射线探测器利用光子计数器探测脉冲星辐射的X射线信号；

星载原子钟将接收到的X射线信号打上时标，得到光子到达时间序列信息；

GPS接收机对卫星平台的绝对位置进行定位；

星间链路为双向激光链路结构，对两个卫星平台之间的相对距离和相对速度进行测量；

大容量数据存储中心将星载原子钟打过时标的光子到达时间序列信息、GPS接收机获取的绝对位置信息和星间链路信息存储在卫星平台本地磁盘上，当卫星平台通过地面接收站上空时，通过数据下传通道将接收到的各种信息传送到地面接收站；

地面接收站接收数据下传通道下传的所述各种信息，并发送给地面数据处理中心；

地面数据处理中心将获取的上述各种信息进行处理，从而获得脉冲星角位置信息。

一种基于双卫星平台的脉冲星角位置测量方法，包括下列步骤：

1）在外层空间中设置两个共轨运行的卫星平台，两个卫星平台通过星间链路连接，利用两颗卫星共轨编队飞行，形成相互绕转的相对运动；

2）调整两个卫星平台的姿态，使每个卫星平台上的X射线探测器同时对准同一颗脉冲星；

3）X射线探测器利用光子计数器探测脉冲星辐射的X射线信号，并将X射线信号转化为电信号；

4）星载原子钟通过电子学读出电路，对电信号进行打标，得到光子到达时间序列信息；同时，GPS接收机对卫星平台的绝对位置进行定位，双向激光链路结构的星间链路对两个卫星平台之间的相对距离和相对速度进行测量；

5）大容量数据存储中心通过卫星平台上的数据传输接口将光子到达时间序列信息存贮在卫星平台本地磁盘上，当卫星平台通过地面接收站上空时，通过数据下传通道下传到地面接收站；

6）地面接收站将接收到的信息解包后，发送到地面数据处理中心；

7）地面数据处理中心利用GPS接收机获取的绝对位置信息和星间链路信息对两个卫星平台探测的两组光子到达时间序列进行光程差补偿和修正，然后对这两组光子到达时间序列进行互相关处理，得到脉冲星角位置信息。

有益效果：

1、本发明将脉冲星辐射的X射线作为信号源，利用设置在轨卫星平台上的X射线探测器对其进行探测，相比于设置在地面上的射频望远镜，能够短时间内获取脉冲星角位置信息。

2、本发明探测的X射线的波长为纳米量级，相对于射电频段的厘米量级提高了7个数量级，从根本上提高了对脉冲星角位置的测量精度。

3、本发明利用两颗卫星平台对同一颗脉冲星X射线辐射信号进行探测，利用互相关处理技术，精确测定脉冲星的角位置，且通过对卫星平台间的相对距离和相对速度的测量，可以精确的实现干涉进行光程差的补偿；同时，两个卫星平台间通过星间链路相连，基线长度至少达到百公里量级，基线长度与测量精度成正比，从另一方面提高了精度。

4、本发明利用两颗卫星共轨编队飞行，形成相互绕转的相对运动（如图2），实现二维干涉测量，克服了地面射电干涉望远镜只能固定沿着两个望远镜的连线方向一维干涉探测的缺陷，从而可以实现对脉冲星二维测量和成像。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的在轨运行示意图；

图3为本发明的工作流程图:

其中，1—卫星平台，2—X射线探测器、3—星载原子钟、4—星间链路、5—GPS接收机、6—大容量数据存储中心、7—数据下传通道、8—地面接收站、9—地面数据处理中心。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于双卫星平台的脉冲星角位置测量方案，利用两颗沿着同一轨道运行的卫星平台（如图2），利用两颗卫星共轨编队飞行，形成相互绕转的相对运动；分别对同一脉冲星辐射的X射线信号进行探测，并将探测到的脉冲星X射线辐射光子打上时标，得到光子到达时间序列信息，结合获取的卫星平台的绝对位置信息和星间链路信息进行光程差修正，通过对得到的光子到达时间序列信息进行互相关处理，得到脉冲星的角位置信息

如图1所示，一种基于卫星平台的脉冲星角位置测量系统包括两个卫星平台，两个卫星平台1通过星间链路连接；每个卫星平台，包括X射线探测器2、星载原子钟3、星间链路4、GPS接收机5、大容量数据存储中心6、数据下传通道7、地面接收站8和地面数据处理中心9。

两个卫星平台1在同一轨道上共轨运行，通过星间链路4相连，星间距为百公里量级。利用两颗卫星共轨编队飞行，形成相互绕转的相对运动（如图2），实现二维干涉测量。

X射线探测器2利用光子计数器探测脉冲星辐射的X射线的光子数。本实施例中，该X射线探测器2为长方体结构，安装在与卫星轨道垂直的卫星面上。其探测单元以阵列形式排布在长方体内，探测器的上部安装遮光罩以消除太阳光的探测器的影响。

星载原子钟3位于每个卫星平台1的内部，将X射线探测器2探测到的脉冲星X射线辐射光子打上时标，得到光子到达时间序列信息。该光子到达时间序列信息中包含X射线探测器2探测的脉冲星辐射X射线的光子数以及星载原子钟3对脉冲星X射线辐射光子打上的时标。

星间链路4为双向激光链路结构，利用激光链路颗实现两个卫星平台1之间的相对距离和相对速度的测量，其精度可达到纳米级，从而实现精确地光程补偿。

GPS接收机5放置在每个卫星平台1的朝天面上，接收GPS信号，利用GPS差分技术和后期处理技术，实现对卫星平台1的绝对位置厘米级的精确定位，同时对星载原子钟3进行校时。

大容量数据存储中心6为磁盘阵列结构，位于每个卫星平台1的内部，其将星载原子钟3打标过的光子到达时间序列信息存贮在卫星本地磁盘上，同时将GPS接收机5输出绝对位置信息，星间链路4输出的相对位置和相对速度信息，以及卫星平台1上惯性陀螺等传感器的输出信息存贮在卫星本地，择机通过数据下传通道7下传到地面接收站8。

数据下传通道7为星载对地天线构建的数传链路，其通过k波段或其他波段，将大容量数据存储中心6中存储的各类信息打包下传到地面接收站8。

地面接收站8为地面大功率天线阵构成，与数据下传通道7构建数传链路，将上述各类信息接收到地面站，并进行解包处理，通过专用光纤网发送到地面数据处理中心9。

地面数据处理中心9为大型计算机群构成，将地面接收站8中数据通过专用光纤网接收，同时对两个卫星平台1探测到的光子到达时间序列信息进行互相关处理，从而得到高精度的脉冲星角位置信息。

一种基于卫星平台的脉冲星角位置测量系统的测量方法，工作流程如图3所示，包括下列步骤：

1）在外层空间中设置两个共轨运行的卫星平台，两个卫星平台通过星间链路连接，利用两颗卫星共轨编队飞行，形成相互绕转的相对运动；

2）调整两个卫星平台的姿态，使每个卫星平台上的X射线探测器同时对准同一颗脉冲星；

3）X射线探测器利用光子计数器探测脉冲星辐射的X射线信号，并将X射线信号转化为电信号；

4）星载原子钟通过电子学读出电路，对电信号进行打标，得到光子到达时间序列信息；同时，GPS接收机对卫星平台的绝对位置进行定位，双向激光链路结构的星间链路对两个卫星平台之间的相对距离和相对速度进行测量；

5）大容量数据存储中心通过卫星平台上的数据传输接口将光子到达时间序列信息存贮在卫星平台本地磁盘上，当卫星平台通过地面接收站上空时，通过数据下传通道下传到地面接收站；

6）地面接收站将接收到的信息解包后，发送到地面数据处理中心；

7）地面数据处理中心利用GPS接收机获取的绝对位置信息和星间链路信息对两个卫星平台探测的两组光子到达时间序列进行光程差补偿和修正，然后对这两组光子到达时间序列进行互相关处理，得到脉冲星角位置信息。

Claims (3)

1.一种基于双卫星平台的脉冲星角位置测量系统，其特征在于，包含两个共轨运行的卫星平台和一个数据处理中心，两个卫星平台通过星间链路连接；所述的两个卫星平台分别同时对同一颗脉冲星X射线辐射信号进行探测，并将探测到的脉冲星X射线辐射光子打上时标，得到两组光子到达时间序列信息；所述的数据处理中心结合卫星平台的绝对位置信息和星间链路信息对所述两组光子到达时间序列进行光程差的补偿和修正，然后对这两组光子到达时间序列进行互相关处理，得到脉冲星角位置信息。

2.如权利要求1所述的一种基于双卫星平台的脉冲星角位置测量系统，其特征在于，所述的卫星平台包括X射线探测器、星载原子钟、GPS接收机、星间链路、大容量数据存储中心、数据下传通道；所述的数据处理中心为地面数据处理中心，且该系统还包括地面接收站；

X射线探测器利用光子计数器探测脉冲星辐射的X射线信号；

星载原子钟将接收到的X射线信号打上时标，得到光子到达时间序列信息；

GPS接收机对卫星平台的绝对位置进行定位；

星间链路为双向激光链路结构，对两个卫星平台之间的相对距离和相对速度进行测量；

大容量数据存储中心将星载原子钟打过时标的光子到达时间序列信息、GPS接收机获取的绝对位置信息和星间链路信息存储在卫星平台本地磁盘上，当卫星平台通过地面接收站上空时，通过数据下传通道将接收到的各种信息传送到地面接收站；

地面接收站接收数据下传通道下传的所述各种信息，并发送给地面数据处理中心；

地面数据处理中心将获取的上述各种信息进行处理，从而获得脉冲星角位置信息。

3.一种基于卫星平台的脉冲星角位置测量方法，其特征在于包括下列步骤：

1）在外层空间中设置两个共轨运行的卫星平台，两个卫星平台通过星间链路连接，利用两颗卫星共轨编队飞行，形成相互绕转的相对运动；

2）调整两个卫星平台的姿态，使每个卫星平台上的X射线探测器同时对准同一颗脉冲星；

3）X射线探测器利用光子计数器探测脉冲星辐射的X射线信号，并将X射线信号转化为电信号；

4）星载原子钟通过电子学读出电路，对电信号进行打标，得到光子到达时间序列信息；同时，GPS接收机对卫星平台的绝对位置进行定位，双向激光链路结构的星间链路对两个卫星平台之间的相对距离和相对速度进行测量；

5）大容量数据存储中心通过卫星平台上的数据传输接口将光子到达时间序列信息存贮在卫星平台本地磁盘上，当卫星平台通过地面接收站上空时，通过数据下传通道下传到地面接收站；

6）地面接收站将接收到的信息解包后，发送到地面数据处理中心；

7）地面数据处理中心利用GPS接收机获取的绝对位置信息和星间链路信息对两个卫星平台探测的两组光子到达时间序列进行光程差补偿和修正，然后对这两组光子到达时间序列进行互相关处理，得到脉冲星角位置信息。