X射线脉冲星导航标称数据库构建

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1、66中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2015年6月第3期X射线脉冲星导航标称数据库构建黄良伟帅平林晴晴张新源(中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室，北京100094)摘要脉冲星导航数据库是在地面定量验证X射线脉冲星导航关键技术和模拟导航过程必不可少的一部分。然而，目前并无文献针对脉冲星导航进行数据库的专门设计。为此，文章通过搜集现有国际公开的脉冲星数据，构建了脉冲星导航标称数据库。建立了基于品质因子的目标源优选准则，选择了26颗x射线脉冲星作为导航源；分析确立了数据

2、库参数字段的具体组成，包括自转模型参数、延时模型参数、脉冲星到达时间(TOA)精度参数与脉冲轮廓参数；对这26颗脉冲星进行了编目；最后给出了标称数据库的接口与应用方式。标称数据库结构与未来星上数据库结构一致，当前服务于地面试验，待观测数据更新后可以升级为星上数据库。关键词X射线脉冲星；标称数据库；星上数据库；脉冲星导航；延时模型；脉冲轮廓DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2015．03．0091引言x射线脉冲星导航是实现航天器长时间高精度自主导航最有希望取得突破的技术，具有重要的工程应用价值

3、和战略研究意义，备受国际航天研究机构关注[】]。2004年，美国国防部提出X射线脉冲星导航研究计划(xNAv)，目前已完成可行论证、关键技术攻关与地面验证，2016年后将在国际空间站和高轨道卫星上开展空间飞行试验。此外，欧洲航天局(ESA)、俄罗斯、德国、日本、英国、印度和澳大利亚等国家或组织也启动了x射线脉冲星导航理论方法和试验验证研究。构建数据库对开展脉冲星导航研究很重要，具体内容包括X射线脉冲星的优选、x射线脉冲星编目和导航数据库设计等=1]。国外利用地面大口径射电望远镜对脉冲星进行长达数十年的观测研究，积累

4、了大量射电观测数据，精确测定脉冲星的自转与角位置，同时，通过天基观测获取相应脉冲星的X射线数据，测量x射线脉冲轮廓并标定射电脉冲轮廓与x射线脉冲轮廓的延迟量。我国目前尚未建成大口径的射电望远镜投入脉冲星观测研究，且也尚未开展针对脉冲星的天基X射线观测。为了推进我国脉冲星导航技术发展，可以通过地面与天基相结合的方法构建与精化脉冲星数据库，同时，在地面定量验证X射线脉冲星导航关键技术和模拟导航过程，并预先进行导航软件与硬件研制。这一阶段，通过构建标称数据库以满足相关试验验证需求。标称数据库的数据搜集于现有国际公开的脉冲

5、星数据，数据库的结构与接口与未来真实的脉冲星数据库一致。待积累足够的观测数据对脉冲星参数精化后，通过参数替换，便可将标称数据库升级为星上导航数据库。本文在脉冲星源优选准则基础上，选择了26颗X射线脉冲星作为导航源构建标称数据库，分析确立了数据库参数字段的具体组成，进行了编目，并给出了标称数据库的接口与应用方式。收稿日期：2014一08—27。收修改稿日期：2015一01_072015年6月中国空间科学技术2标称数据库的脉冲星源优选脉冲星在射电、红外、可见光、紫外、X射线和7射线等电磁波频段产生信号辐射，其动力学模型

6、、脉冲轮廓、脉冲周期及变化率，以及辐射流量强度等也各不相同，甚至还存在脉冲周期跃变现象。在X射线脉冲星导航中，应根据脉冲星基本物理特征观测数据分析，优选适合于航天器自主导航的X射线脉冲星，建立脉冲星导航数据库。导航脉冲星的优选准则分为定性和定量两个方面。导航脉冲星的定性优选准则包括精确的脉冲星角位置、高信噪比的脉冲轮廓、高精度的脉冲计时模型、较高的X射线辐射流量、较短的脉冲周期、尖锐的脉冲形状，以及长期稳定的脉冲周期等。从脉冲星的形成过程和辐射机制来看，旋转供能脉冲星具有比较稳定的脉冲周期和辐射流量强度，能够满足航

7、天器长时间自主导航应用需求，因此优选的导航脉冲星应是旋转供能的。从定量分析的角度，可以采用品质因子来定量评价和标定X射线脉冲星的脉冲信号质量。在探测器有效面积、信号积分时间和X射线背景辐射流量给定的情况下，脉冲到达时间测量精度取决于脉冲信号质量和脉冲轮廓形状。通过基于信噪比的脉冲到达时间测量方差分析，得到脉冲星的品质因子表示为[11虻叽再篇F丽㈩式中w为脉冲半高宽(HwHM)；R；为来自脉冲星源的流量；夕，为脉冲比例；厂。为脉冲频率。3标称数据库的参数设计脉冲星导航可视为脉冲星计时观测的逆过程。脉冲星计时观测中，观

8、测站位置是已知的，需要对脉冲星参数进行测定；而脉冲星导航中，脉冲星参数是已知的，需要对航天器位置进行测定。这两个过程中，脉冲星的自转模型与光行延时模型是统一的。脉冲星导航所需要的参数包括4部分：一是脉冲星自转模型参数，描述脉冲星固有自转；二是延时模型参数，描述脉冲信号的光行延时；三是脉冲TOA精度参数，用于导航滤波器的配置；四是脉冲轮廓数据，描述脉冲轮廓形状