CN113219815B - 一种基于x射线脉冲星的深空授时方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于X射线脉冲星的深空授时方法，开展脉冲星地面射电观测，确定脉冲星的方位和自转参数，得到脉冲星计时模型以预报脉冲到达SSB的时间；卫星上的探测器对该脉冲星开展X射线波段观测，将光子到达航天器的时刻转换至SSB，并在SSB处折叠出积分脉冲轮廓；积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓在频域互相关得到TOA，与计时模型预报TOA做差，得到拟合前计时残差；对拟合前计时残差拟合线性项，得到被驾驭星载原子钟的频率偏差；根据频率偏差对参考星载原子钟记录的光子到达时间进行补偿后重新得到测量TOA，完成频率驾驭。本发明能够改善星载钟的频率偏差，提高星载钟的准确度。

Description

一种基于X射线脉冲星的深空授时方法
技术领域
本发明属于X射线脉冲星深空授时应用的技术领域，涉及X射线脉冲星计时模型的建立，以及利用自转高度稳定的脉冲星对星载原子钟的频率偏差进行改正的方法。
背景技术
对于多数绕地飞行、执行PNT(导航、定位、定时)任务的航天器，是通过接收地球卫星导航系统GNSS的时间信号来保持时间的准确性。这种方式需要根据导航卫星的轨道高度提前对卫星钟进行频率调整，并定期与地面站比对时间，以修正原子钟的输出时间或走速，保持与地球时TT的一致。但这种时间接收方法只适用于在地球表面近地空间飞行的航天器，对于更广阔的太阳系以及星际空间，由于距离问题，高轨卫星无法接收到GNSS播发的时间信号，只能通过本身携带的星载钟来定时。对于GPS信号，由于GPS卫星由美国控制其星座调整，需对卫星上的GPS接收机进行相应设置，致使目前GPS接收系统仍不十分可靠。尤其随着我国国力的日渐增强，应提高技术研发自主性，尽量减少对国外技术的依赖。
脉冲星是恒星超新星爆发后的产物，其最重要的特征是辐射信号周期的稳定性且脉冲轮廓具有可辨识性。尤其是毫秒脉冲星，由于具有很大的旋转动能以及相对较小的自转能量损失率，自转高度稳定，其长期稳定度可媲美高精度的原子钟。目前发现的众多脉冲星中，有不少具有从射电到X射线的全波段辐射。其中，X射线波段辐射集中了脉冲星绝大部分的辐射能量，易于被小型化探测器接收，降低了探测器的制造成本。且X射线难于穿过地球稠密大气层，对其观测只能在空间进行，因此将光子到达时刻改正到SSB过程，无需考虑地球电离层、对流层传播时延以及色散效应，降低了数据处理的复杂性。作为脉冲星的众多应用之一，航天器定位及姿态控制，主要基于脉冲星的X射线波段观测。
对于X射线脉冲星观测而言，光子到达探测器时刻的测量精度取决于星载时钟的稳定度与准确度。原子钟的输出频率为一个恒定的标称值和一个由相位扰动引起的变化项之和，变化项使得原子钟的输出时间与标准时间的钟差越来越大。对于星载原子钟而言，由于频率源输出频率的不稳定以及航天器所处空间磁场环境的变化，它的输出频率与标称频率之间会存在一个频率偏差，该偏差值会影响航天器本地时间的准确性。基于毫秒脉冲星自转频率的变化率很小及寿命长的特性，可将其作为一种天然的频率源，驾驭深空及星际空间中的星载原子钟，提高钟的准确度。X射线脉冲星深空授时方法有助于减缓我国卫星对GNSS系统时间的依赖，对执行深空探测及星际空间飞行任务的航天器的高性能时间保持具有非常重要的意义。时间基准的准确度、稳定度以及时间的比较和传递问题是空间计量的基本问题，而脉冲星的脉冲周期、脉冲轮廓及空间位置的长期稳定性使其成为空间计量的重要工具。由于不同空间位置的钟所受引力势不同，其走时速率亦不同，因此也可通过X射线脉冲星观测统一时间基准，建立大尺度广域时空的守时系统。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于X射线脉冲星的深空授时方法，通过观测脉冲星的X射线信号实现对星载时钟的频率驾驭，能够减小星载原子钟的频率偏差，提高星载钟的准确度，适用于整个太阳系以及星际空间的授时。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1)以地球时TT为参考时间，开展脉冲星地面射电观测，确定脉冲星的方位和自转参数，得到脉冲星计时模型以预报脉冲到达SSB的时间；
2)卫星上的探测器对该脉冲星开展X射线波段观测，以需进行频率调整的星载原子钟作为参考时间，记录光子到达探测器的时刻；根据光子到达时刻航天器的状态向量，将光子到达航天器的时刻转换至SSB，并在SSB处折叠出积分脉冲轮廓；积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓在频域互相关得到TOA，与步骤1)中的计时模型预报TOA做差，得到拟合前计时残差；
3)对拟合前计时残差拟合线性项，得到斜率k，斜率k即代表被驾驭星载原子钟的频率偏差；
4)根据频率偏差对参考星载原子钟记录的光子到达时间进行补偿后重新得到测量TOA，最终通过卫星测控站遥测注数对星载钟的频率进行调整，完成频率驾驭。
所述的地球时TT采用国际权度局BIPM发布的地球时。
所述的光子到达时刻航天器的状态向量包括卫星的状态、脉冲星的方位、太阳系中天体的质量及位置。
本发明的有益效果是：通过X射线脉冲星观测对航天器上的原子钟实施频率驾驭，改善星载钟的频率偏差，提高星载钟的准确度，提供航天器时间高性能保持的方法。
附图说明
图1是X射线脉冲星频率驾驭星载原子钟流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
脉冲星辐射的X射线光子可被X射线探测器接收，并由星载原子钟记录光子到达探测器的时刻。一个稳定的时标只有在一个稳定的、相对不运动的台站描述它才是稳定的。而卫星所处的引力势及卫星的运动速度是不断变化的，根据狭义相对论“时钟变慢”及广义相对论“引力红移”效应，光子到达探测器的时刻需进行各种相对论改正后转换至准惯性系的一个假想参考点——太阳系质心(SSB)，并由此得到测量的脉冲到达SSB时刻。脉冲星长时间的射电计时观测数据可以提供高精度的脉冲星计时模型参数(自转频率及其一、二阶导数、位置、自行等)，一方面利用事先建立好的脉冲星计时模型参数可精确预报脉冲星的脉冲到达太阳系质心的时间(TOA)；另一方面通过长时间的观测，可获得大量脉冲星X射线光子到达时刻数据，经时间转换模型后，可在太阳系质心处获得测量的脉冲到达到时间(TOA)序列。测量的TOA和预报的TOA之差为计时残差。对于毫秒脉冲星，经长时间观测处理后，计时模型中的自转参数精度将很高，拟合前计时残差往往表现为零均值的白噪声。若参考钟不存在钟差、频率偏差等不稳定因素，且脉冲星计时模型精度高、光子到达SSB转换过程无误，则预报TOA与测量TOA的差值很小，拟合前后计时残差几乎没有变化。但若参考钟存在频率偏差，则测量TOA与预报TOA的差值会随时间增大，钟的不准确性将体现在拟合前计时残差中，导致拟合前计时残差存在与钟相同的频率偏差。本发明正是基于脉冲星自转高度稳定这一特征，提出利用X射线脉冲星观测驾驭星载原子钟频率的方法，提高星载时钟的准确度。
本发明主要是利用星载原子钟时间作为参考时间，记录光子到达探测器的时刻，最终通过拟合前计时残差驾驭星载原子钟，改正卫星上原子钟的频率偏差。具体包括以下步骤：
1)以国际权度局(BIPM)发布的地球时TT为参考时间，开展脉冲星地面射电观测，通过分析观测数据，确定脉冲星的方位、自转参数等信息，得到高精度的脉冲星计时模型以精确预报脉冲到达SSB的时间。
2)卫星上的探测器对该脉冲星开展X射线波段观测，以需进行频率调整的星载原子钟作为参考时间，记录光子到达探测器的时刻。根据卫星的状态、脉冲星的方位、太阳系中天体的质量及位置等信息，将光子到达航天器的时刻转换至SSB，并在SSB处折叠出积分脉冲轮廓。积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓在频域互相关得到TOA，与步骤1)中的计时模型预报TOA做差，得到拟合前计时残差。
3)对拟合前计时残差拟合线性项，得到斜率k。斜率k即代表被驾驭星载原子钟的频率偏差。
4)对参考星载原子钟记录的光子到达时间进行时间补偿后重新得到测量TOA，与计时模型预报的TOA之差不存在系统性变化趋势，拟合前计时残差的斜率趋近于零。最终通过卫星测控站遥测注数对星载钟的频率进行调整，完成频率驾驭。
下面利用X射线脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1)的35组Crab脉冲星观测数据开展仿真试验，对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实例。
1)首先利用XPNAV-1卫星公开发布数据验证观测数据的有效性及计时模型的准确性。利用XPNAV-1卫星发布数据中的光子事件文件及轨道文件得到光子到达航天器时刻卫星的位置与速度。这里，卫星直接接收GPS广播的时间信号，光子TOA采用UTC秒的记录形式。根据光子到达时刻航天器的状态向量，将光子到达航天器的时刻转换至SSB，并在SSB处折叠出标准脉冲轮廓以及35组积分脉冲轮廓。积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓在频域互相关，得到测量TOA。计时模型参数由英国Jodrell Bank天文台提供，由测量TOA与计时模型预报TOA的差值得到计时残差。得到的计时残差不存在系统性趋势，说明Jodrell Bank的Crab脉冲星星历无误且XPNAV-1卫星的观测数据真实有效。
2)假设XPNAV-1卫星上有一台原子钟，若该星载钟无频率偏差，则认为GPS广播的时间即为该星载钟上的时间转化到UTC后的对应值。通过仿真得到星载钟存在频率偏差时光子到达航天器时刻的数据，并将其作为检验数据。重复上述步骤得到光子到达SSB的时刻以及各文件对应的积分脉冲轮廓，并与步骤(1)得到的标准脉冲轮廓在频域互相关得到测量TOA。
3)将步骤(2)得到的SSB处的TOA与射电观测得到的计时模型预报的TOA做差，得到的计时残差即代表星载原子钟与脉冲星钟的钟差，这个钟差的时间尺度为TDB。将未经驾驭的星载原子钟的输出时间记为AT，将基于Crab的脉冲星时记为PT0531，则二者之差AT-PT0531这个钟差序列便体现在脉冲星的拟合前计时残差中，星载钟的频率偏差将使拟合前计时残差出现线性项。将星载原子钟补偿一个频率偏差2.0X10-12s-1，经过Δt天后，星载原子钟与被驾驭的原子钟的钟差如下表所示。
Δt(天) 钟差(μs)
100 17.28
200 34.56
300 51.84
400 69.12
500 86.40
4)将步骤(3)得到的拟合前计时残差做线性拟合得到斜率k，k的值即为星载原子时钟相对于标准时间信号的频率偏差，k的不确定度决定了星载原子钟的频率驾驭精度。
5)将k的值作为输入量，通过卫星测控站遥测注数对校时参数进行调整，将星载时钟的输出频率补偿-k，达到驾驭星载钟频率的目的。将经脉冲星频率驾驭的星载时钟输出时间信号记为ATsteer(j)，则
ATsteer(j)＝AT(j)-k*[AT(j)-AT(0)]
其中j为星载钟调整后第j个时间序列，理想情况下星载时钟为基准钟，其记录的光子到达时刻为ATstd(j)，但绝对理想的基准钟是不存在的，通常用BIPM发布的地球时TT代替，则经脉冲星驾驭后的星载钟与基准钟的钟差为：
[ATsteer(j)-TT(j)]＝[AT(j)-TT(j)]-k*[AT(j)-AT(0)]
经脉冲星频率驾驭后，该钟差只包含星载钟的随机噪声而不包含频率偏差。

Claims (3)

1.一种基于X射线脉冲星的深空授时方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以地球时TT为参考时间，开展脉冲星地面射电观测，确定脉冲星的方位和自转参数，得到脉冲星计时模型以预报脉冲到达SSB的时间；
2)卫星上的探测器对该脉冲星开展X射线波段观测，以需进行频率调整的星载原子钟作为参考时间，记录光子到达探测器的时刻；根据卫星的状态、脉冲星的方位、太阳系中天体的质量及位置信息，将光子到达航天器的时刻转换至SSB，并在SSB处折叠出积分脉冲轮廓；积分脉冲轮廓与标准脉冲轮廓在频域互相关得到TOA，与步骤1)中的计时模型预报TOA做差，得到拟合前计时残差；
3)对拟合前计时残差拟合线性项，得到斜率k，斜率k即代表被驾驭星载原子钟的频率偏差；
4)根据频率偏差对参考星载原子钟记录的光子到达时间进行补偿后重新得到测量TOA，最终通过卫星测控站遥测注数对星载钟的频率进行调整，完成频率驾驭。
2.根据权利要求1所述的基于X射线脉冲星的深空授时方法，其特征在于，所述的地球时TT采用国际权度局BIPM发布的地球时。
3.根据权利要求1所述的基于X射线脉冲星的深空授时方法，其特征在于，所述的光子到达时刻航天器的状态向量包括卫星的状态、脉冲星的方位、太阳系中天体的质量及位置。
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