[发明专利]基于X射线脉冲星的航天器姿态和位置测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及导航技术领域，具体涉及基于X射线脉冲星的航天器姿态和位置测量系统及其方法，所述方法用于为近地轨道航天器进行高精度自主导航以及姿态测量提供服务。

背景技术

X射线脉冲星导航（XPNAV）是通过测量脉冲星辐射的X射线光子到达时间和脉冲星影像角位置来更新航天器位置、速度、时间和姿态等导航参数，根据光子到达时间计算得到导航过程中的基本信息——脉冲到达时间（TOA），利用这一信息可以计算航天器的位置、速度，并对星上的时钟进行校正。根据光子到达星载X射线探测器的位置，则可以确定脉冲星的方位信息，从而完成对航天器姿态的测量。

1974年，美国喷气推进实验室的Dr.Downs首次提出基于射电脉冲星的行星际飞行航天器自主轨道确定方法，这是一种建立在脉冲星无线电信号基础上的在轨航天器导航方法。随着天文观测能力的增强以及对X射线脉冲星特性研究的深入，1981年美国通信系统研究所的T.J.Chester和S.A.Butman提出了使用X射线波段的脉冲星为航天器导航的构想。1982年，第一颗毫秒级脉冲星被确认，人们发现利用某些毫秒脉冲星的频率稳定性，可以将其用作天然高精度的频率标准源。1999年，美国ARGOS卫星发射升空，初步验证了脉冲星自主导航的可能性，为其发展与应用奠定了重要的基础。2004年，美国航空航天局和海军天文台等多家单位着手拟定和启动脉冲星导航的研究计划，同时X射线脉冲星导航已纳入国防部长期发展战略规划纲要，并逐年增加项目研究经费，持续开展脉冲星导航的理论研究方法、关键技术攻关和原理样机研制等方面的研究工作。近年来，我国在X射线脉冲星自主导航方面的研究工作发展很快，从最初跟踪国外的科研项目，到现在能够自主创新、提出越来越多的观点和方法。2006年1月，中国科学院高能物理研究所和清华大学天体物理研究中心共同设计研制了硬X射线调制望远镜HXMT，目标在于实现宽波段X射线（1～250keV）巡天，探索利用X射线脉冲星实现航天器自主导航的技术和原理。

但是，脉冲星信号极其微弱，而从目前的脉冲星导航原理来看，在太阳系质心坐标系中，X射线脉冲星导航的基本观测量是脉冲星计时模型的预报时间与卫星观测时间之差，换算为距离之后进行定位，这种方法受诸多因素的影响，定位精度不高。并且传统的脉冲星定姿方案中，需要使用两个星载X射线探测器扫描同一颗星或者使用一个星载X射线探测器观测两个脉冲星。基于这一原理，在实际中搭载两个星载X射线探测器的方法成本太高，必须考虑单星载X射线探测器定姿。

发明内容

针对上述问题，本发明的主要目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于X射线脉冲星的航天器姿态和位置测量系统及其方法，从而实现单星载X射线探测器观测单颗脉冲星完成航天器自主姿态和位置的联合测量，以克服传统利用脉冲星对三轴稳定航天器定姿中单星载X射线探测器必须分时观测两颗脉冲星而引入的附加噪声和频繁调整星载X射线探测器指向等问题。本发明还能在姿态测量同时，完成航天器指向脉冲星辐射矢量与地平观测矢量夹角的测量，从而进一步进行脉冲星定位，此定位方法弥补了计时观测在航天器定位中精度差的缺点。因此，本发明所提出的联合测量方法能充分利用脉冲星的导航能力，降低成本，实现航天器自主高精度姿态测量和轨道确定。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于X射线脉冲星的航天器姿态和位置测量系统，其特征在于，所述系统包括：星载X射线探测器、准直器、星载原子钟、X射线脉冲星特征参数数据库、X射线脉冲星辨识算法库、太阳系行星参数数据库、星载计算机、地平敏感仪，导航算法库、星载万向支架等；其中

所述星载计算机根据当前所记录的航天器姿态和所述X射线脉冲星特征参数数据库，控制所述星载万向支架支撑星载X射线探测器指向目标脉冲星；

所述星载X射线探测器配合所述准直器，测量到达所述星载X射线探测器的X射线脉冲星信号的光子流量强度，从而计算得出所述星载X射线探测器指向与脉冲星辐射矢量的偏差，将该偏差反馈到所述星载计算机用于进行航天器姿态的控制增强，不断调整所述星载X射线探测器指向控制，以获得精确地脉冲星辐射方向矢量；

所述地平敏感仪敏感地平得到地平线张角，从而计算地心方向矢量，将该地心方向矢量和所述脉冲星辐射方向矢量共同送至所述星载计算机中的脉冲星定姿算法，同时将所述地平线张角和所述脉冲星辐射方向矢量共同送至脉冲星定位算法；

所述星载计算机调用所述导航算法库中的联合定位算法对定姿算法和定位算法进行结合，输出高精度的自主导航参数信息，包括姿态和位置。