[发明专利]一种基于X射线脉冲星的深空授时方法

说明书

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。

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；