CN105571597A - 一种超深空x射线主动导航系统 - Google Patents

Abstract

一种超深空X射线主动导航系统，由安装在导航卫星上的X射线信号发生器和二维指向机构，以及安装在超深空航天器上的X射线信号接收处理系统和二维指向机构组成。导航卫星上的X射线信号发生器产生并发射高稳定度的调制X射线脉冲信号，深空航天器的信号接收处理系统接收X射线光子信号，估计X射线脉冲信号到达时间，通过联合观测四颗以上导航卫星测量数据，可自行解算出位置、速度、时间与姿态信息。该方法解决了传统微波频段深空中传播衰减大，接收信号微弱，需地面大口径天线支持以及易受干扰等问题，利用X射线光子在自由空间无传输衰减、无色散、利于小型化探测以及不易被截获等优势，实现深空航天器自主导航与可靠远距离数据传输问题。

Description

一种超深空X射线主动导航系统

技术领域

本发明属于航天器自主导航技术领域，具体涉及一种利用X射线作为传输载体实现航天器自主导航的系统。

背景技术

随着未来深空探测任务的不断拓展，探测目标更多，探测模式更加多样化，对航天器导航与通信能力提出了更高的要求，当前传统地面测控网及微波传输链路已达到性能极限，寻求进一步提升航天器自主导航能力和空间信息传输能力的新型途径成为未来深空探测需要解决的关键问题。天基测控与数传是未来深空测控发展的一条可行途径，与地面深空测控网络相比，其具有的基线优势可获得更高的空间分辨率，然而，当前天基系统发展的多样化，航天器平台能力各异，如何有效利用天基网络优势，提出切实可行的天基测控与数传系统方案是需要解决的关键问题。

同时，由于航天器平台能力的限制，光频段相对于传统微波有望以较小的体积、重量、功耗等实现空间远距离信息传输，寻求可利用的光频段一直是空间信息传输研究的重点。从单光子探测角度，光子能量越高有助于降低对探测器灵敏度的要求；从光束质量的角度，由于光的实际束散角设计受到衍射极限角(sinθ＝1.22λ/D，其中，θ为衍射极限角，λ为光波长，D为光学天线口径)约束，相同天线口径条件下，波长越短其衍射极限角越小，单位面积能量更集中，更有利于远距离传输；同时，频率越高，意味着可获得传输带宽越大，可实现高速率信息传输；X射线具有光子能量大(比于传统红外激光高3个数量级以上)，真空中传播无衰减，波长极短，无色散等特性，美国NASA戈达德空间飞行中心于2007年就提出了利用X射线作为载体实现信息传输的概念，并完成了地面话音传输试验；NASA的SEXTANT项目计划于2016年在国际空间站开展空间环境下X射线信息传输技术验证。X射线在深空中的潜在优势使其有可能成为未来空间信息传输领域的革命性技术。

发明内容

本发明的技术解决问题是：针对未来自主导航与信息传输需求，克服现有技术不足，提出了一种超深空航天器自主导航方法，以X射线为传输载体，通过导航卫星星座实现对深空航天器轨道的覆盖，解决微波链路传输容量有限、传统地面测控覆盖有限，单独发射天基测控卫星费用大等问题，系统结构简单，工程可实现性强。

本发明的技术解决方案是：

一种超深空X射线主动导航系统，包括：X射线信号发生器、发射二维指向机构、X射线信号接收处理系统和接收二维指向机构；其中，X射线信号接收处理系统包括X射线接收器和数据处理模块；

X射线信号发生器和发射二维指向机构安装在导航卫星上，X射线信号接收处理系统和接收二维指向机构安装在超深空航天器上；X射线信号发生器产生X射线脉冲光子信号，X射线接收器接收所述X射线脉冲光子信号，转换为电信号并送入数据处理模块，数据处理模块估计X射线脉冲信号到达时间，计算出导航卫星和超深空航天器的相对距离，解算出超深空航天器的位置、速度、时间与姿态信息；发射二维指向机构和接收二维指向机构用于调整X射线信号发生器和X射线信号接收器的指向，实现导航卫星端和超深空航天器端的对准。

所述超深空是指火星以远的宇宙空间。

所述X射线信号发生器产生周期为μs级的调制X射线脉冲光子信号，包括调制模块、X射线源和光学系统；调制模块采用开关键控调制方式，产生周期性的调制脉冲电信号，X射线源根据所述调制脉冲电信号，产生X射线脉冲光信号，光学系统中的反射镜将所述X射线脉冲光信号进行聚束，产生平行的X射线脉冲光信号并发射出去；所述X射线脉冲光信号为1～15keV的软X射线。

所述光学系统中的反射镜的表面粗糙度为nm级。

所述X射线接收器包括光学天线、X射线探测器和星载原子钟；光学天线接收外部输入的X射线脉冲光信号，X射线探测器对单个X射线光子响应，并输出相应电信号，X射线探测器的时钟信号由星载原子钟提供；X射线探测器为光子计数探测器或者光子能量探测器。

所述光学天线为聚焦型光学天线或者准直型光学天线。

所述数据处理模块包括脉冲到达时间估计模块和导航参数估计模块；脉冲到达时间估计模块根据X射线探测器输出的电信号，输出脉冲到达时间给导航参数估计模块，导航参数估计模块根据所述输出脉冲到达时间，获得导航卫星和超深空航天器之间的相对距离，然后联合解算四颗导航卫星观测数据实现对超深空航天器自身位置、速度、时间及姿态的估计。

当X射线探测器采用光子计数探测器时，探测器输出电信号为单个光子到达时间t，通过观测一个时间周期内不同光子的到达时间，t₁,t₂,t₃…t_n，将一个周期时间划分为多个时间段进行光子数累计，通过判决累计光子数最多的时间段即为脉冲到达时间。

当X射线探测器采用光子能量探测器时，将探测器输出电信号在一个时间周期内进行积分，进而与X射线探测器的本地模板脉冲波形信号相关解算出脉冲到达时间。

所述发射二维指向机构令X射线信号发生器水平回转-180°～+180°，俯仰回转-90°～+90°，接收二维指向机构令X射线信号接收器水平回转-180°～+180°，俯仰回转-90°～+90°。

本发明与现有技术相比带来的有益效果为：

本发明提出的一种超深空X射线主动导航系统利用X射线光子具有的光子能量大、自由空间传输衰减小、无色散以及不易被截获等特性，可实现超深空远距离高可靠信息传输；通过将X射线源安装在全球组网的导航卫星星座上，超深空航天器通过联合观测4颗导航卫星的X射线脉冲光信号，自行解算出位置、速度、时间与姿态信息，实现自主导航，其光脉冲到达时间解算方法简单，利于工程实现，该方法拓展了导航卫星星座应用模式，能够解决未来深空探测面临的航天器自主导航与高可靠数据传输问题。

附图说明

图1为本发明的系统示意图；

图2为本发明信号发生器产生的不同光脉冲信号示意图；

图3为本发明信号发生器中光学系统X射线聚束原理图；

图4为本发明X射线接收器原理框图；

图5为本发明X射线接收器的准直型光学天线基本原理图；

图6为本发明数据处理模块原理图；

图7为本发明数据处理模块中航天器位置估计基本原理图；

图8为本发明导航星座应用示意图。

具体实施方式

本发明利用导航卫星全球组网的特点，将X射线光子传输优势应用于超深空航天器测距定位导航领域，提出了一种新型光频段空间信息传输方法，通过分别安装在导航卫星与超深空航天器上的小型化X射线收发设备实现空间测距定位信息的远距离传输，解决了超深空航天器自主导航需求。

本发明提出了一种超深空X射线主动导航系统，包括：X射线信号发生器、发射二维指向机构、X射线信号接收处理系统和接收二维指向机构。具体实施如下：

如图1所示，X射线信号发生器和发射二维指向机构安装在导航卫星上，X射线信号接收处理系统和接收二维指向机构安装在超深空航天器上；X射线信号发生器产生X射线脉冲光子信号，X射线接收器接收所述X射线脉冲光子信号，转换为电信号并送入数据处理模块，数据处理模块估计X射线脉冲信号到达时间，计算出导航卫星和超深空航天器的相对距离，解算出超深空航天器的位置、速度、时间与姿态信息；发射二维指向机构和接收二维指向机构用于调整X射线信号发生器和X射线信号接收器的指向，实现导航卫星端和超深空航天器端的对准。

X射线信号发生器安装在导航卫星上，产生周期为μs级的调制X射线脉冲光子信号，包括调制模块、X射线源和光学系统；调制模块采用开关键控调制方式，产生周期性的调制脉冲电信号，X射线源根据所述调制脉冲电信号，产生X射线脉冲光信号，光学系统中的反射镜将所述X射线脉冲光信号进行聚束，产生平行的X射线脉冲光信号并发射出去；所述X射线脉冲光信号为1～15keV的软X射线。具体描述如下：

安装在不同导航卫星上X射线源产生的脉冲光信号周期相同，脉宽不同，图2为不同光脉冲信号示意图，如四颗导航卫星发射脉冲光信号周期均为1μs，脉宽可分别设置为1/8,1/4,1/2,1μs，用于超深空航天器通过对同一周期内不同脉冲到达时间估计区分来自不同导航卫星的信息。

图3为X射线聚束基本原理，由电磁波传播理论，由于X射线在介质内部随传播距离呈负指数衰减，且X射线在介质中的吸收系数比较大，因此基于折射方式的聚焦原理不再适用于X射线，同时，由于X射线全反射的临界角非常小，只能以掠入射的方式改变其入射方向。因此，将入射的X射线光子在超光滑镜面上发生全发射改变发射方向，通过增加反射镜面的数量使得从X射线源发散的X射线光子汇集为平面波实现X射线的聚束。聚束的效率主要取决于X射线光子的掠入射角度和镜面的反射率，同时与X射线光子能量以及反射镜膜层物理参数有关。本发明中针对软X射线聚束的光学系统反射镜的表面粗糙度为nm级。

X射线信号接收处理系统包括X射线接收器和数据处理模块。具体描述如下：

X射线接收器包括光学天线、X射线探测器和星载原子钟，如图4所示。光学天线接收外部输入的X射线脉冲光信号，X射线探测器对单个X射线光子响应，并输出相应电信号，X射线探测器的时钟信号由星载原子钟提供；X射线探测器为光子计数探测器或者光子能量探测器。

光学天线为聚焦型光学天线或者准直型光学天线：1)准直型光学天线利用准直器限制观测视场，如图5所示。基本原理是在准直器视场角度范围内的X射线光子能够通过准直器到达探测器敏感单元，而视场角度范围以外的光子被准直器栅格吸收，无法被探测到，通过改变准直器栅格间距L和厚度d可以调节天线的视场角θ的大小；2)聚焦型光学天线利用掠入射的方式改变X射线入射方向，即利用一次反射的方式将X射线入射光子汇聚到探测器敏感单元，其过程类似于X射线聚束的逆过程，即图3中光的传播方向反向；准直型光学天线结构简单易于实现，聚焦型光学天线对反射镜的表面粗糙度要求极高，上述两种天线为当前X射线探测中的常用方式，实际工程实现中，可根据航天器平台性能，选择可行的光学天线类型。

星载原子钟为航天器平台标准配置，为航天器各模块提供高稳定标准时间输入。

接收数据处理模块组成如图6所示，主要包括脉冲达到时间估计模块和导航参数估计模块。脉冲到达时间估计模块根据X射线探测器输出的电信号，输出脉冲到达时间给导航参数估计模块，导航参数估计模块根据所述输出脉冲到达时间，获得导航卫星和超深空航天器之间的相对距离，然后联合解算四颗导航卫星观测数据实现对超深空航天器自身位置、速度、时间及姿态的估计。

脉冲到达时间估计有两种实现方式：

(1)对于光子计数探测器：探测器输出电信号为单个光子到达时间t，通过观测一个时间周期内不同光子的到达时间(t₁,t₂,t₃…t_n)，将一个周期时间划分为多个时间段进行光子数累计，如将1微秒的周期划分成100个等间隔时间段，由于单光子能量(E＝hv，其中，h为普朗克常数，v为光频率)已知，可通过时间段内光子数计算出该时间段内的光子能量，进而获得脉冲轮廓，时间段划分越小，脉冲轮廓精度越高。通过判决累计光子数最多的时间段即为脉冲到达时间。

(2)对于光子能量探测器：将探测器输出电信号在一个时间周期内进行积分判决，与本地脉宽不同的脉冲波形信号相关，解算出脉冲到达时间。

导航参数估计模块通过脉冲达到时间估计模块提供的X射线脉冲到达时间信息，获得超深空航天器与导航卫星间的相对位置信息，然后联合解算四颗导航卫星观测数据实现对航天器自身位置、速度、时间及姿态的估计。基本原理如图7所示，即利用到达时间差TDOA算法，通过测量出两个不同已知点和待测点之间的到达时间差，得出待测点与参考点之间的距离差。该方法只要求各参考点完全同步，即导航卫星间时间同步，不需要超深空航天器与导航卫星之间时间同步，其测量值对应于以两个导航卫星为焦点的一对双曲线，多个量值对应多条双曲线交点即为航天器位置。对于周期为微秒级脉冲，航天器的位置确定精度可达百米量级，通过压缩脉冲周期，还可以进一步提高航天器位置估计精度。在此基础上，通过连续观测四颗导航卫星，通过距离的变化量，可进一步估算出深空航天器速度、时间及姿态信息。

图8为导航星座应用示意图。多星联合观测系统角分辨率可描述为Δθ＝λ/(Dsinθ)，其中λ为波长，D为卫星之间的基线长度，θ为目标与基线方向夹角，对于波长为1nm～10nm的软X射线，与传统红外激光1μm相比，其角分辨率理论可提高3个数量级。可见，利用X射线频段和空间星座优势可以获得更高的测控精度。系统有两种应用模式：

(1)基本模式：导航卫星安装X射线信号发生器和发射二维指向机构，超深空航天器安装X射线接收系统和接收二维指向机构。导航卫星平台调整发射二维指向机构使X射线信号发生器对准超深空航天器，每颗导航卫星的X射线脉冲信号单向传输至超深空航天器，超深空航天器在运行轨道上对四颗导航卫星安装的X射线源可视，通过连续观测实现超深空航天器位置速度姿态的估计，为自主导航提供信息输入。

(2)扩展模式：导航卫星和超深空航天器同时安装X射线信号发生器、X射线接收系统和二维指向机构，利用X射线频段实现信息的双向传递。在实现超深空航天器自主导航的基础上，通过X射线返向链路实现超深空航天器与导航卫星间大容量可靠数据传输。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于包括：X射线信号发生器、发射二维指向机构、X射线信号接收处理系统和接收二维指向机构；其中，X射线信号接收处理系统包括X射线接收器和数据处理模块；

X射线信号发生器和发射二维指向机构安装在导航卫星上，X射线信号接收处理系统和接收二维指向机构安装在超深空航天器上；X射线信号发生器产生X射线脉冲光子信号，X射线接收器接收所述X射线脉冲光子信号，转换为电信号并送入数据处理模块，数据处理模块估计X射线脉冲信号到达时间，计算出导航卫星和超深空航天器的相对距离，解算出超深空航天器的位置、速度、时间与姿态信息；发射二维指向机构和接收二维指向机构用于调整X射线信号发生器和X射线信号接收器的指向，实现导航卫星端和超深空航天器端的对准。

2.根据权利要求1所述的一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于：所述超深空是指火星以远的宇宙空间。

3.根据权利要求1所述的一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于：所述X射线信号发生器产生周期为μs级的调制X射线脉冲光子信号，包括调制模块、X射线源和光学系统；调制模块采用开关键控调制方式，产生周期性的调制脉冲电信号，X射线源根据所述调制脉冲电信号，产生X射线脉冲光信号，光学系统中的反射镜将所述X射线脉冲光信号进行聚束，产生平行的X射线脉冲光信号并发射出去；所述X射线脉冲光信号为1～15keV的软X射线。

4.根据权利要求3所述的一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于：所述光学系统中的反射镜的表面粗糙度为nm级。

5.根据权利要求1所述的一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于：所述X射线接收器包括光学天线、X射线探测器和星载原子钟；光学天线接收外部输入的X射线脉冲光信号，X射线探测器对单个X射线光子响应，并输出相应电信号，X射线探测器的时钟信号由星载原子钟提供；X射线探测器为光子计数探测器或者光子能量探测器。

6.根据权利要求5所述的一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于：所述光学天线为聚焦型光学天线或者准直型光学天线。

7.根据权利要求1所述的一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于：所述数据处理模块包括脉冲到达时间估计模块和导航参数估计模块；脉冲到达时间估计模块根据X射线探测器输出的电信号，输出脉冲到达时间给导航参数估计模块，导航参数估计模块根据所述输出脉冲到达时间，获得导航卫星和超深空航天器之间的相对距离，然后联合解算四颗导航卫星观测数据实现对超深空航天器自身位置、速度、时间及姿态的估计。

8.根据权利要求1所述的一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于：当X射线探测器采用光子计数探测器时，探测器输出电信号为单个光子到达时间t，通过观测一个时间周期内不同光子的到达时间，t₁,t₂,t₃…t_n，将一个周期时间划分为多个时间段进行光子数累计，通过判决累计光子数最多的时间段即为脉冲到达时间。

9.根据权利要求1所述的一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于：当X射线探测器采用光子能量探测器时，将探测器输出电信号在一个时间周期内进行积分，进而与X射线探测器的本地模板脉冲波形信号相关解算出脉冲到达时间。

10.根据权利要求1所述的一种超深空X射线主动导航系统，其特征在于：所述发射二维指向机构令X射线信号发生器水平回转-180°～+180°，俯仰回转-90°～+90°，接收二维指向机构令X射线信号接收器水平回转-180°～+180°，俯仰回转-90°～+90°。