CN104697527A - 一种基于龙虾眼的大视场x射线导航敏感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，其包含：龙虾眼光学系统，从脉冲星掠入射的X射线反射，并将X射线光子汇聚到半径为R/2的球面或半球面处，在此处布置球面探测器来对X射线光子进行探测并测量光子达到时间；由电子学系统对探测到的X射线光子进行时间累积形成脉冲轮廓，并将脉冲轮廓与标准脉冲星数据库对比，得到所述脉冲星的目标特性信息用来进行数据处理和解算，以获得导航信息。本发明解决了传统Wolter型X射线导航视场小的缺点，满足深空探测航天器长时间大视场高精度自主导航的需求，可为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供时间、位置、速度等丰富的导航信息。

Description

一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器

技术领域

本发明涉及一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，属于导航制导控制领域，尤其是深空自主导航领域。

背景技术

随着科技的发展和人类对宇宙的探所，当前可供深空探测器使用的导航手段主要是地面无线电导航，并以光学自主导航作为补充，地面无线电导航能力受限于测控站的分布、器地距离等。现有的GPS、光学导航地面试验系统技术无法满足航天器深空长时间自主导航的需求，X射线脉冲星导航能提供良好的时间频率源、自主性强、抗干扰性好、且其导航覆盖范围宽，为深空航天器自主导航提供了一种新的思路和可行途径。目前已有的X射线脉冲星导航设计方法主要采用Wolter型X射线望远系统，其体积大(多为数米长)，质量重(多为数百千克)，视场小(多小于1度)，不适宜用于作为深空导航敏感器使用。由于X射线本身能级很高，与常见镜头物质接触后主要是被吸收，而不是折射，因而难以汇聚，而只有以掠入射的方式才能形成反射式聚焦。这给研制视场大，体积重量小的X射线导航敏感器带来了极大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，实现适用于深空大视场长时间高精度航天器自主导航，来解决传统Wolter型X射线导航视场小的缺点，实现对航天器的时间、轨道、姿态独立控制。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，其包含：

龙虾眼光学系统，通过半径为R的球形或半球形镜面侧壁，将从脉冲星掠入射的X射线反射，并将X射线光子汇聚到半径为R/2的球面或半球面处；

球面探测器，其球形或半球形的探测面布置于所述半径为R/2的球面或半球面处，用来对X射线光子进行探测，并通过该球面探测器测量X射线光子达到所述导航敏感器的光子达到时间；

电子学系统，对探测到的X射线光子进行时间累积形成脉冲轮廓，并将脉冲轮廓与标准脉冲星数据库对比，得到所述脉冲星的目标特性信息用来进行数据处理和解算，以获得导航信息。

优选地，所述龙虾眼光学系统采用半球形微通道结构，包含按照同一个半球面排列的多个立方柱体，每个立方柱体的侧壁镀有金属膜以反射X射线。

优选地，所述球面探测器利用星载时钟记录X射线光子的光子到达时间。

优选地，所述导航敏感器设置于航天器，同时对多个脉冲星分别进行探测，来实现自主导航。

优选地，所述电子学系统获得的脉冲星的目标特性信息，包含脉冲星的周期、周期导数；所述电子学系统根据脉冲星的目标特性信息及脉冲到达时间进行数据处理和解算，得到包含航天器的位置、速度、姿态、时间的导航信息。

优选地，对于所述脉冲轮廓，所述电子学系统将航天器处测得的脉冲到达时间，转换为脉冲到达太阳系质心的时间，在进行数据处理和解算时使用。

本发明提出的基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，通过在一个球体上的许多小立方体阵列侧壁的反射来观察物体的，由多个通道的掠入射反射镜构成，结构上的球对称性决定了它没有特定的光轴，任意方向上的聚焦能力都相同，因此具有其它X射线光学系统无法企及的大视场特性，在天文观测、航天器自主导航领域具有广阔的应用前景。

本发明提供的导航系统及自主导航方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

1)可作为独立的导航系统为航天器提供导航服务，减轻对地面测控系统的依赖和成本，为航天器提供丰富的导航信息。

2)可作为现有卫星导航系统的备份，提高导航的安全性和可靠性等。

3)基于龙虾眼大视场的特性，可同时观测多颗脉冲星，有利于长时间高精度自主导航。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1是龙虾眼光学系统原理图；

图2是太阳系质心坐标系中航天器、脉冲星、地球质心和太阳质心的几何关系的示意图；

图3是龙虾眼X射线光学系统导航原理的示意图；

图4是龙虾眼X射线导航敏感器的示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于龙虾眼的大视场导航方案，利用龙虾眼光学系统接收脉冲星的辐射信息实现卫星的自主导航，以下将说明该方案所涉及的龙虾眼光学系统原理，脉冲时间转换模型，及龙虾眼X射线导航敏感器。

(1)龙虾眼光学系统原理

入射X射线光源主要有两种类型：一是点光源，它是理想化为质点的向四面八方发出光线的光源；二是平行光源，它是指光束辐射很远而宽度却没有明显增加的光源，如激光和太阳的光源。

本发明的自主导航方案采用的脉冲星导航，由于脉冲星离地球距离非常遥远(几万光年)，可近似为平行光入射，其原理如图1所示：龙虾眼球面的半径为R，A为龙虾眼球面上一点，B为探测面上一点，C为龙虾眼球面及探测面的圆心。X射线只能以很小的角度(<θ_C)掠入射才能在龙虾眼光学镜面侧壁上反射聚焦。

$\mathrm{AB}=\mathrm{BC}\&DoubleRightArrow;\mathrm{BC}=\frac{R}{2\mathrm{COS}{\mathrm{\&theta;}}_C},\mathrm{COS}{\mathrm{\&theta;}}_C\&ap;1$

即，探测面的半径BC≈R/2时，龙虾眼X射线光学系统能将收集到的X射线汇聚到探测面上，因此设置探测器为半径R/2的球面探测器。

(2)脉冲时间转换模型

X射线脉冲星导航的关键是进行脉冲到达时间的坐标系转换。如图2所示，在太阳系质心(SSB)坐标系下，选取O_SSB为坐标原点，X_SSB轴指向标准历元J2000.0定义的春分点(或动力学分点)，在天球赤道面内构成太阳系质心坐标系O_SSB-X_SSBY_SSBZ_SSB。

图中PSR,SC,O_E和O_S分别表示脉冲星位置、航天器、地球质心位置和太阳系质心位置。λ，α分别表示脉冲星PSR在太阳系质心坐标系中赤经和赤纬，称为脉冲星角位置。R_SC,R_E和R_SC/E分别表示在太阳系质心坐标系中航天器的位置矢量、地球位置矢量，以及航天器相对于地球的位置矢量；表示太阳系质心在太阳系坐标系O_S-X_SY_SZ_S中的质量位置矢量。Q表示航天器(如卫星)位置矢量在脉冲星视线方向的投影点；表示脉冲星的位置单位矢量，也称为角位置矢量或方向矢量，即有：

由于脉冲星距离太阳系非常遥远，可达到几万光年，因此对于整个太阳系来说，一般可以被视为常矢量。即，对于X射线脉冲星导航来说，脉冲星角位置矢量是一个已知量，可以直接从导航数据库中提取。

脉冲星相位预测模型采用的是SSB处的质心力学(TDB,BarycentricDynamical Time)时，而航天器记录光子到达时间采用的是原子钟产生的脉冲星(PT,Pulsar Time)时，为了将由远离SSB的航天器测得的脉冲到达时间与预估到达SSB的时间相比较，必须将航天器测量的脉冲到达时间转换为脉冲到达SSB的时间。

脉冲到达SSB原点和到达航天器的一阶时间偏差为：

其中t_SSB是脉冲到达SSB处的时间，t_SC是航天器上观测到的脉冲到达时间，c是光速，为航天器相对于SSB的位置矢量。

同时考虑几何效应和相对论效应的影响。使用广义相对论理论对方程进行改进，可以建立更精确的时间转换方程。下式给出了一种简化了的到达时间转换方程。

$t_{\mathrm{SSB}}-t_{\mathrm{SC}}=\frac{1}{c}\stackrel{\&RightArrow;}{n}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{r}+\frac{1}{2c{D}_0}[{(\stackrel{\&RightArrow;}{n}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{r})}^2-{\stackrel{\&RightArrow;}{r}}^2+2(\stackrel{\&RightArrow;}{n}\&CenterDot;b)(\stackrel{\&RightArrow;}{n}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{r})-2(\stackrel{\&RightArrow;}{b}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{r})]+\frac{2{\mathrm{\&mu;}}_s}{c^3}\ln |\frac{\stackrel{\&RightArrow;}{n}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{r}+\stackrel{\&RightArrow;}{r}}{\stackrel{\&RightArrow;}{n}\&CenterDot;\stackrel{\&RightArrow;}{b}+b}+1|$

其中，D₀是脉冲星距SSB原点的距离，μ_s为太阳系引力常数，为脉冲星角位置矢量，太阳系质心相对于太阳质心的位置矢量。上式右侧第一项为一阶Doppler延迟，代表两个位置之间简单的几何时间延迟。第二项是由视差效应引起的。前两项统称为Roemer延迟。最后一项是太阳Shapiro延迟效应，是由太阳引力场产生的光程弯曲所带来的附加时间延迟。上式需要精确的太阳系星历表提供SSB位置和太阳系引力参数。如果忽略相对论效应和高阶项，上式则只保留第一项。

基于龙虾眼的X射线导航系统可同时探测多颗脉冲星，减少了卫星的轨道机动，通过数据处理分别得到每一颗脉冲轮廓信息，当同时探测的脉冲星≥3时，可快速高效的解算出脉冲星导航信息，实现航天器的绝对定位和自主导航。

(3)基于龙虾眼的X射线导航敏感器

X射线脉冲星敏感器包括三个主要部分：光子收集系统、探测器系统、电子学系统。置于前端的光子收集系统，用来选择观测的脉冲星，进行X射线光子收集；探测器系统用来测量光子的达到时间；电子学系统用于数据处理。根据记时和成像的应用需求，不同类型的探测器都被应用到X射线天文项目中，主要有正比例计数器、微通道板、轨漂移探测器等。在基于X射线脉冲星导航系统中，X射线光子收集和探测的关键作用是探测尽可能多的来自星源的光子，为后端的导航、授时等算法库提供所需信息。因此，X射线脉冲星敏感器是实现脉冲星导航的基础。

如图3、图4所示，本发明所述基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器中，所述光子收集系统使用龙虾眼光学系统5，能够将收集的X射线光子汇聚在半径R/2的(半)球面上，R是该龙虾眼光学系统5的(半)球形镜面的半径。

示例中，该龙虾眼光学系统5采用半球形微通道结构，由许多个立方体通道组成，每一个小立方柱体都按照同一个球面排列，各立方柱体的侧壁4镀有金、镍等金属膜用于反射X射线(如标号41所示)，通过小立方柱面反射的X射线将会聚在一个焦球面上。只经过一次反射的光线将会聚成一条线，它在成像系统中形成渐缩的十字线的背景；没有反射进入系统的光线形成弥散的背景。每个小立方柱体的高度将产生一定的散焦，探测器与每个立方柱体的倾角将限制成像系统的分辨率，如果微小矩形元胞足够小，分辨力可以达到角秒量级。

所述探测器系统6，使用探测面半径为R/2的球面探测器，且将该探测面布置于所述龙虾眼光学系统5汇聚X射线光子的半径R/2的(半)球面处，对X射线光子进行探测；同时，探测器系统6利用星载时钟记录X射线光子的光子到达时间。

所述电子学系统7，其利用光子到达时间，对探测的X射线光子进行时间累积，形成脉冲轮廓，对脉冲到达时间进行坐标系转换，并将探测的脉冲轮廓与标准脉冲星数据库进行对比，匹配出探测到的脉冲星，调出该脉冲星的周期、周期导数等目标特性信息，将脉冲星目标特性和脉冲到达时间作为导航系统的输入信息，来进行时间、速度、位置等导航信息的解算，实现航天器的自主导航。

综上所述，本发明将提供的基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器配置在航天器处，以脉冲到达时间和影像信息为基本观测量，获取多颗脉冲星至该航天器的相对视线距离，结合轨道动力学、滤波、轨道预报等信息，采用相应的信号与数据处理算法，计算得到航天器的位置、速度、姿态和时间等导航信息，可广泛的用于自主导航。

X射线脉冲星是一种稳定、无源、天然抗干扰的宇宙天体，由于任何材料对X射线的折射率都小于1，X射线光子以很小掠入角(通常为几十角分)入射到材料表面时才能发生全内反射。传统的Wolter型X射线光学系统视场小(几十角分)，龙虾眼光学系统具有视场大的优点，采用基于龙虾眼的X射线脉冲星导航敏感器解决了深空探测航天器长时间大视场高精度自主导航的需求，可为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供时间、位置、速度等丰富的导航信息。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (6)

1.一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，其特征在于，包含：

龙虾眼光学系统，通过半径为R的球形或半球形镜面侧壁，将从脉冲星掠入射的X射线反射，并将X射线光子汇聚到半径为R/2的球面或半球面处；

球面探测器，其球形或半球形的探测面布置于所述半径为R/2的球面或半球面处，用来对X射线光子进行探测，并通过该球面探测器测量X射线光子达到所述导航敏感器的光子达到时间；

电子学系统，对探测到的X射线光子进行时间累积形成脉冲轮廓，并将脉冲轮廓与标准脉冲星数据库对比，得到所述脉冲星的目标特性信息用来进行数据处理和解算，以获得导航信息。

2.如权利要求1所述基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，其特征在于，

所述龙虾眼光学系统采用半球形微通道结构，包含按照同一个半球面排列的多个立方柱体，每个立方柱体的侧壁镀有金属膜以反射X射线。

3.如权利要求1所述基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，其特征在于，

所述球面探测器利用星载时钟记录X射线光子的光子到达时间。

4.如权利要求1所述基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，其特征在于，

所述导航敏感器设置于航天器，同时对多个脉冲星分别进行探测，来实现自主导航。

5.如权利要求4所述基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，其特征在于，

所述电子学系统获得的脉冲星的目标特性信息，包含脉冲星的周期、周期导数；所述电子学系统根据脉冲星的目标特性信息及脉冲到达时间进行数据处理和解算，得到包含航天器的位置、速度、姿态、时间的导航信息。

6.如权利要求5所述基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，其特征在于，

对于所述脉冲轮廓，所述电子学系统将航天器处测得的脉冲到达时间，转换为脉冲到达太阳系质心的时间，在进行数据处理和解算时使用。