导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题_赵成仕.pdf

526580-1航空学报Acta Aeronautica et Astronautica SinicaFeb.15 2023 Vol.44 No.3ISSN 1000-6893 CN 11-1929/V导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题赵成仕1，*，高玉平1，2，童明雷1，朱幸芝1，罗近涛11中国科学院 国家授时中心，西安 7106002中国科学院大学，北京 100049摘 要：脉冲星具有很高自转稳定性，利用一组统一参考系统下的脉冲星星历表所构建的高精度时空基准，可对飞行器进行自主导航。目前国内尚未观测给出统一参考下的导航脉冲星星历表，国际上已发布的导航脉冲星星历表是在不同参考系统下建立的，无法直接用于构建时空基准，将影响我国近期开展空间脉冲星导航试验。针对没有原始计时观测数据的情况，提出通过模拟计时观测数据，拟合获得新参考系统下的星历表，实现一组导航脉冲星星历表的参考系统统一。最后分析了基于该方法不同参考下的星历表转换精度，其中，DE200转换为 DE436后，脉冲星 TOA 一年内预报值最大偏差由 86.6 s减小为 2.3 s。TT（TAI）转换为 TT（BIPM15）后，TOA 一年内预报值最大偏差由 0.326 s减小为 0.062 s。基于TEMPO2中transform插件可实现不同参考坐标时下星历表精准转换，转换误差小于6 ns，可忽略不计。参考系统DE421/TT（TAI）/TDB转化为DE436/TT（BIPM15）/TCB后，TOA一年内的预报最大偏差降低为0.047 s。关键词：脉冲星导航；脉冲星星历表；参考系统；计时残差；脉冲星计时中图分类号：V448.21 文献标识码：A 文章编号：1000-6893（2023）03-526580-12随着人类对深空探测的发展，深空自主导航技术是必须解决主要关键技术之一，传统导航需要地面系统支撑，且随着航天器飞行距离的增加导航精度降低1。脉冲星是被誉为自然界中最稳定的天然时钟2，通过观测脉冲星辐射的周期性脉冲信号，可为近地轨道、深空和星际空间飞行器提供长期自主导航服务，基于脉冲星的自主导航可摆脱空间飞行器对 GNSS 或其他人造信标依赖，有良好的应用前景3。1981 年美国研究人员提出利用 X 射线脉冲星为星际飞行器导航，优势是易于探测器小型化4。2004 年美国国防部国防预先研究计划局（DARPA）提出“基于 X 射线源的自主导航定位验证”（X-ray Source Navigation and Autonomous Position Verification，XNAV）计划5，2005 年 Sheikh 博士对 X 脉冲星导航原理进行了全面详细论述6。脉冲星导航是基于一组统一参考系统下的脉冲星星历表所构建的高精度时空基准实现的，脉冲星星历表可以利用计时观测技术被精确测定7-8。星历表参数值是在给定参考系统下测定的，参考主要包括：太阳系行星历表、时间基准、坐标时。通常将适合用于导航应用的脉冲星称为导航脉冲星，应用于 X 射线脉冲星导航的候选源首要条件是辐射 X射线脉冲轮廓9，最好同时辐射射电脉冲轮廓，通过射电计时观测有利于构建高精度星历表10-11。2018年美国利用在国际空间站上 NICER 探http:/ 引用格式：赵成仕，高玉平，童明雷，等.导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题 J.航空学报，2023，44（3）：526580.ZHAO C S，GAO Y P，TONG M L，et al.Unity of pulsar-based ephemeris time-space reference systems for navigation J.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2023，44（3）：526580（in Chinese）.doi：10.7527/S1000-6893.2022.26580收稿日期：2021-10-28；退修日期：2021-12-23；录用日期：2022-03-15；网络出版时间：2022-03-31 09：06网络出版地址：https：/ SKA专项（2020SKA0120103）；中国科学院“西部青年学者”（XAB2021YN27）*通信作者E-mail：航空学报526580-2测 器 实 施 SEXTANT（Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology）项目实验，通过观测 4 颗毫秒脉冲星开展脉冲星自主导航 定 位 试 验，最 好 定 位 精 度 优 于 5 km12-14。2016年中国发射了脉冲星导航试验（XPNAV-1）卫星，帅平等提出基于法平面几何约束的脉冲星自主导航算法利用 XPNAV-1 卫星观测数据实现定轨精度 38.4 km15。郑世界等提出了一种利用脉冲星轮廓显著性实现飞行器定轨的方法，先后 利 用 天 宫 二 号 上 的 伽 玛 暴 偏 振 探 测 仪 和HXMT 卫星 Crab 脉冲星观测数据，分别实现飞行器优于 30 km 和 10 km 的精度16-17。目前中国已开展的脉冲星导航试验都是基于 1 颗脉冲星，不存在参考系统的统一性问题。中国开展导航脉冲星星历表的监测工作起步较晚，FAST 建成后脉冲星观测能力虽处于国际领先水平，但其观测天区有限，只能对部分导航脉冲星监测，近期无法利用国内观测数据对全部导航脉冲星建立统一参考下的星历表。在脉冲星导航空间试验时，需要利用国际上已发表的星历表，这些星历表可能采用不同参考系统，导致基于星历表构建的脉冲星时空基准存在偏差18，以 PSR J0437-4715 为例，参考系统中的太阳系行星历表采用 DE405 与 DE414 获得的星历表参数预报到达 SSB 处 TOA 偏差超过 4 s，引起的导航定位偏差为 1.2 km。利用多颗脉冲星开展导航实验时首先需要统一星历表参考系统。星历表的构建及更新需要计时观测数据支撑。在没有原始计时观测数据的情况下，如何将不同参考系统下的一组脉冲星星历转换为同一参考系统下，是实施脉冲星导航空间试验前需要首先解决的问题。1脉冲星导航基本原理1.1原理分析脉冲星导航的基本原理是利用飞行器上安装 的 探 测 器 测 量 的 脉 冲 达 到 飞 行 器 的 时 间（Time of Arrive，TOA），与同一脉冲预报到达太阳系质心（Solar System Barycenter，SSB）的时间比较，可获得飞行器相对于 SSB 处的位置在该脉冲星方向矢量上的投影值，同时观测 3 颗脉冲星可获得飞行器在太阳质心坐标系下的三维位置19。在实际中，脉冲星辐射的某个脉冲到达 SSB处的时刻是无法预报的，只能预报某一时刻脉冲到达 SSB 处的相位，将观测到的脉冲信号也采用相位描述，则脉冲星导航基本公式为(ssb-sat+N)P=nr+rel（1）式中：ssb为 t 时刻预报的脉冲到达 SSB 处相位；sat为 t时刻测量的脉冲到达飞行器相位；N为从飞行器传播到 SSB 处的脉冲相位整周期数；P为脉冲星自转周期；n为脉冲星位置方向矢量；r为飞行器相对于 SSB 位置矢量；rel为脉冲信号从飞行器到 SSB处的相对论改正项。从脉冲星导航基本公式得知，决定导航精度的主要因素有：脉冲相位预报精度，与自转参数值精度有关；测量 TOA 精度，与探测器性能和脉冲星特性有关；脉冲星方向矢量精度，与脉冲星天体测量参数有关；相对论效应项改正精度。相对论效应改正项计算，需要知道飞行器位置，也是导航待求解参数，可采用飞行器位置预估值来计算。利用计时软件 TEMPO2给出的相对论改正模型20-21，若位置误差为 1 000 km时，引起的相对论效应改正误差100 ns。在利用脉冲星导航时通过迭代方法不断精化飞行器的位置参数，使得相对论效应改正误差影响更小，因此该项误差影响可以不考虑。1.2脉冲星星历表构建方法高精度脉冲星星历表构建依赖于地面射电望远镜长期计时观测。星历表构建具体方法如下：通过射电望远镜接收并记录脉冲星的辐射射电信号，以原子钟为参考记录观测时间，将一段时间内的数据通过消色散与周期折叠等处理，得到积分脉冲轮廓；将得到的积分脉冲轮廓与同一波段标准模板脉冲轮廓互相关，获得脉冲到达天线的 TOA 及其误差；将到达天线的 TOA转换为脉冲到达 SSB 处的 TOA，时延修正项包括：测站钟误差修正到地球时（Terrestrial Time，TT）、几何时延、引力时延、爱因斯坦时延、色散时延、大气时延等；将得到的 SSB 处 TOA 与航空学报526580-3脉冲星钟模型预报的到达 SSB 的 TOA 比较，得到计时残差；通过对计时残差做最小二乘法拟合更新脉冲星星历表参数。如果脉冲星处于双星系统中，脉冲预报到达 SSB 处的 TOA 还应考虑双星系统影响，星历表构建流程见图 1。目 前 国 际 主 流 计 时 数 据 软 件 有 TEMPO、TEMPO2、PINT。不同软件默认采用的参考不同，如 TEMPO 默认坐标时采用太阳系质心力学时（Barycentric Dynamical Time，TDB），TEMPO2 坐标时采用太阳系质心坐标时（Barycentric Coordinate Time，TCB）。另外，早期计时处理采用太阳系行星历表为 DE200，最新数据又采用最新版本 DE 历表，导致不同时期公布的星历表参考 DE历表版本不统一。2参考系统对星历表构建的影响高精度导航脉冲星星历表的建立依赖于长期计时观测资料，目前全世界已有 3 个脉冲星计时观测阵，分别是澳大利亚 Parkes脉冲星计时阵（Parkes Pulsar Timing Array，PPTA）、北美脉冲星计时观测阵（North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves，NANOGrav）、欧 洲 脉 冲 星 计 时 阵（European Pulsar Timing Array，EPTA）。3个计时阵通过国际合作组成国际脉冲星计时阵（International Pulsar Timing Array，IPTA）22。2016 年 IPTA 公 布了第 1 批数据 DR1，包括 49 颗毫秒脉冲星23。2019年公布第 2批数据 DR2，包括 65颗毫秒脉冲星24，比 DR1 新增 16 颗源，且同时公布了 TCB和 TDB2种坐标时参考下的星历表文件。利用 DR2的 VersionA 中数据跨度为 18.6年的 PSR J0437-4715 开展不同参考对星历表构建影响分析，该源计时精度高且同时具有射电和 X射线辐射，为最佳导航候选源之一，DR2 发布星历 表 的 2 种 参 考 系 统 组 合 为：DE436/TT（BIPM15）/TCB和DE436/TT（BIPM15）/TDB。后续研究将以发布的 TCB 为参考下的星历表参数值为标准，研究不同参考对星历表参数精度影响，以及评估不同参考转换后星历表参数值的精度。利用 DR2发布数据中的 TOA 文件和星历表par 文件，通过修改 par 文件中的参考系统，利用TEMPO2 软件重新拟合，生成新参考系统下的par文件，分析不同参考系统对构建星历表影响，每次只修改一种参考。参考时间基准采用 TT（BIPM15）、TT（TAI）；坐标时采用 TCB、TDB；太阳系行星历表采用 DE200、DE421 和 DE436。图 2给出 PSR J0437-4715计时数据在 5种参考系统下的计时残差。在 TCB 时间尺度下拟合参数为：自转参数和天体测量参数，其他参数值采用发布值。在 TDB 时间尺度下，拟合自转参数、天体测量参数和双星轨道参考，其他参数采用发布值。根据图 2 得知，太阳系行星历表参考对计时残差影响最大，DE436 参考下计时残差 RMS=246 ns，DE421 参考下计时残差 RMS=242 ns，望远镜脉冲星消色散&周期折叠测站钟改正Ro