北斗一百问丨什么是脉冲星导航?-北斗科技文化网

 

脉冲星导航是测定已知星历的脉冲星发射的X射线光子到达导航传感器终端的时间差进行定位与测时。

脉冲星是大质量恒星演化、塌缩、超新星爆发的遗迹,是一种具有超高温、超高压、超高密度、超强磁场、超强电场和超强引力场等极端物理条件的天体,其典型半径约为10千米,而质量却与太阳相当,核心密度达到每立方厘米上千吨。脉冲星属于高速自转的中子星,其自转轴与磁极轴之间有一个夹角,两个磁极各有一个辐射波束。

 

北斗一百问丨什么是脉冲星导航?-北斗科技文化网

脉冲星信号辐射模型

 

当星体自转且磁极波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时,探测设备就能接收到一个脉冲信号。其自转周期范围一般为1.6毫秒~8.5秒,具有极其稳定的周期,尤其是毫秒脉冲星的自转周期变化率达到10^-10,被誉为自然界最精准的天文时钟。

脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等电磁波频段产生信号辐射。通常把在射电频段上辐射信号的脉冲星叫作射电脉冲星,把在X射线频段上辐射信号的脉冲星叫作X射线脉冲星。X射线属于高能光子,集中了脉冲星绝大部分能量,易于小型化设备探测与处理,但难于穿过地球稠密大气层,只能在地球大气层外空间观测到。

 

北斗一百问丨什么是脉冲星导航?-北斗科技文化网

X射线脉冲星导航原理

 

其基本原理是:以同一个脉冲信号到达太阳系质心的时间与到达航天器的时间差为观测量,构造X射线脉冲星导航测量方程;该方程有4个未知数,包括4个位置坐标分量和1个时钟偏差量;通过同时探测4 颗脉冲星,或每个弧段观测1颗脉冲星并结合航天器轨道动力学模型,求解4 个未知数,实现航天器自主导航。