拓展计算机应用领域探究基于X射线脉冲星的几种

　　本文围绕着基于X射线脉冲星的五种定位方法展开了详解的论述，主要包括掩星法、仰角法、绝对定位法、相对定位法和位置增量估计法。

　　脉冲星导航是一种天文自主导航方式，所以最先被提出来的脉冲星导航方法是由天文导航借鉴而来的。比如本文中要介绍的掩星法和仰角法等。只不过在这些方法当中，把持续稳定发射脉冲信号的中子星当成了恒星作为参考天体。当然，随着技术的不断发展，人们也提出了许多更新更好的利用脉冲星的导航方法。比如本文中介绍的绝对定位法，相对定位法和位置增量估计法灯，它们都能够获得更好的定位精度。

　　一、掩星法

　　在地球边缘，X射线脉冲星射线的遮蔽现象可以为地球轨道航天器提供准确的位置信息。当航天器绕地球运行时，X射线被地球的边缘所遮挡，然后出现在另一边，这段时间差对应地球盘的弦长。如果知道了脉冲星、地球的三维坐标和地球的直径，那么就能够计算出航天器相对于地球的位置。

　　在掩星法中需要特别注意的是，地球大气层会吸收X射线光子，所以在使用该方法时，需要掌握空间参数、星历和大气环境等相关要素，遮挡时间的计算也需要考虑大气的相关参数。

　　二、仰角法

　　在仰角法中，一个已知惯性姿态的航天器要把机载探测器对准一颗选定的X射线脉冲星方向。同步观察参考星体与脉冲星的夹角和参考星体的直径可以得到航天器相对于参考行星的距离信息。利用多颗参考星体可以得到航天器的三维位置信息。再加上对其它参考天体进行观测，就可以得到航天器的三维位置的矢量信息。

　　利用仰角法可以通过观测航天器的仰角来计算出航天器的位置信息。由于这种方法得到的是航天器关于地球的相对位置矢量信息，因此，只要已知地球的绝对位置参数就能够得出航天器的绝对位置信息。这种方法的缺点是，对于深空旅行探测器而言，由于行星的可见性差，难以满足观测的要求，所以仰角法一般只适用于围绕行星转动的卫星。

　　上面所讲的掩星法和仰角法，它们有一个共同的缺点，那就是需要有一个以上的参考天体，这是传统的天文导航在脉冲星导航上的新的应用，实现起来的系统相当复杂。接下来将介绍几种只依赖脉冲星观测的定位方法。

　　三、绝对定位法

在绝对定位法中，航天器仅仅依靠机载设备以及对脉冲星的观测来得到自身的三维位置信息，并不需要任何外部导航系统来协助。而且在一些不利条件下，比如在系统重启、断电的等情况下，这种方法仍然能够正常工作。在绝对定位法中，必须要知道在特定某一时刻观测到的是脉冲星的具体哪一个脉冲。

然而，脉冲星只是简单重复的发射一系列没有任何标识的脉冲信号，但是我们可以通过几颗脉冲星相位等方法来确定观测到的到底是第几个脉冲，也就是整周模糊度的解算问题。这与GPS卫星导航方式中说涉及的模糊度有极大的相似之处，一旦解算出准确的模糊度值，就可以得到航天器的绝对位置信息。

　　四、相对定位法

绝对定位是很关键的，但同时，如果能得到航天器相对于另一个物体的相对位置信息，这同样也有着重要意义。因为，利用相对定位可以在已知位置物体的参考坐标系下进行相对的导航，而不需要换算到惯性参考系中。

这种方法的另外一个优点是，仅仅需要计算相对位置偏差和距离偏差，而不需要进行三维坐标的解算。这在一些具有特殊要求的飞行任务中，相对定位法不仅能使导航系统简单化，而且还能够更好的满足导航的需求。同时，在绝对定位法中提到的整周模糊度的解算在这里也要用到。因为这里涉及到的相对距离比航天器和惯性参考系的距离要小得很多，也就是整周模糊度的范围要小得多。

　　绝对定位法的目的就是要把航天器的位置信息确定在一个固定的惯性坐标系当中，而相对定位法则不同。在相对定位法中，需要确定的是航天器相对于一个参考物体的位置变量。这里我们一般用一个位置固定不变的航天器作为参考物体，目的就是为了方便航天器之间的通信，使相对定位法更加灵活、更加准确。

　　实际上，脉冲星相对定位系统与 GPS卫星导航的相对定位有着很多相似之处。只不过在卫星相对定位导航中，充当参考物的是不断与航天器通信的地面基站。由于运动中的航天器保持与参考航天器的通信，使得导航系统的运算变得更复杂一些，但是其在某些导航任务中却有着独特的优势，比如航天器的对接、轨道的定制等，所以相对于定位法还是有比较广泛的应用。

该方法有一个明显的优势就是不需要考虑整周模糊度的问题。因为在目前观测到的即使是周期最短的脉冲星，它的波长也远远大于航天器的尺寸，所以可以确定的是，安装在航天器上的两个X射线探测器观测到的脉冲信号一定是脉冲星发射出来的同一个脉冲。在没有了整周模糊度的问题之后，姿态角的计算也就变得简单了。

但是，姿态角的精度还是与两个探测器测得脉冲到达时间的精度和两个探测器之间距离有直接联系。在目前条件下还是很难满足姿态角精度的要求。不过随着对X射线脉冲星研究的深入以及航天器制造技术的发展，相信这个利用相对定位来确定姿态角的方法一定会有巨大的发展潜力。

　　五、位置增量估计法

　　在没有任何先验信息的情况下，如果能精确地确定航天器的绝对位置，这在大多数任务中都是非常有用、非常重要的，当然它的计算方法和导航系统也是非常复杂的。然而有的时候，如果能够准确的提供航天器相对于前一时刻自身位置的变化量，并且能够随着时间持续更新这个值，那么也能很好的满足某些导航要求。我们把这种导航方法就称为位置增益估计法。

对于一些轨道航天器来说，特别是某些地球轨道航天器，如果知道它当前时刻的位置、速度以及姿态等信息之后，结合其受到的地球引力以及本身动力等因素，可以建立一个轨道预测模型，通过这一模型就可以预测其后某一时刻航天器的轨道信息。如果能够对影响航天器轨道的所有因素都作出精确全面的计算，并且将其转化到轨道预测模型中，那么航天器的轨道就可以被准确的预测得出。

当然这只是理想的状态，在通常情况下，对影响参数不可能完全考虑到，而且也做不到完全精确的模拟，所以能得到的信息一般只能是航天器的粗略轨道位置信息，与其真实位置还是会存在一定的误差。而位置增益估计法的作用就是通过观测脉冲信号来消除这一误差。

位置增益估计法的基本思路是：在经过了各项修正之后，航天器上观测到的脉冲到达时间与太阳质心处观测得到的脉冲到达时间之间会存在一个偏移量，而这个偏移量的值和航天器到太阳质心的距离在直接联系。如果航天器上 X射线探测器的位置已知，那么这个时间偏移量的值就可以通过相关公式计算得出。

相反，如果这个时间偏移量的值已知，那么航天器与太阳质心之间的距离也可以通过计算得出。这里计算时间偏移量的方法与绝对定位法一样，都是通过比较航天器上观测所得的脉冲到达时间与脉冲星时间预报模型预测太阳质心脉冲到达时间而得出。

位置增量估计法的关键是，在太阳质心惯性系中比较预估的脉冲到达 SSB原点的时间和航天器上测量到的脉冲到达时间。实际测量的到达时间和预估时间之差反映了真实位置与预估位置的偏差。结合航天器的轨道模型来看，通过不断地更新修正位置信息便可以得到连续的位置估计。为了得到航天器的三维位置估计，需要获取多个脉冲星从不同方向的测量信息。

但是这种方法的缺点是，需要预先知道航天器的大致位置信息。虽然这些大致位置信息可以通过陀螺仪、六分仪等机载设备得到，但是这也不可避免地加大了导航系统的复杂程度。而这种方法的优势就在于不但能更新位置信息，同时还能更新速度和时间信息。

　　作者：崔倩 来源：科学与财富 2015年36期