[論文レビュー] Autonomous Spacecraft Navigation With Pulsars

Werner J. Becker, Mike Georg Bernhardt+1 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2013

Pulsars and Gravitational Waves Research参考文献 55被引用数 25

ひとこと要約

本論文では、ミリ秒パulsarを自然なX線および電波ビーコンとして利用し、正確なパルス到着時刻測定を基に、太陽系内およびその先で±5 kmの精度で自律的宇宙船航行を実現する手法を提案する。この手法は、基準位置における予測到着時刻と搭載機器で測定したパルス時刻を比較することで、地上支援なしに完全に自律的な深宇宙航行を可能にする。

ABSTRACT

An external reference system suitable for deep space navigation can be defined by fast spinning and strongly magnetized neutron stars, called pulsars. Their beamed periodic signals have timing stabilities comparable to atomic clocks and provide characteristic temporal signatures that can be used as natural navigation beacons, quite similar to the use of GPS satellites for navigation on Earth. By comparing pulse arrival times measured on-board a spacecraft with predicted pulse arrivals at a reference location, the spacecraft position can be determined autonomously and with high accuracy everywhere in the solar system and beyond. The unique properties of pulsars make clear already today that such a navigation system will have its application in future astronautics. In this paper we describe the basic principle of spacecraft navigation using pulsars and report on the current development status of this novel technology.

研究の動機と目的

• 地上の追跡局に依存しない完全な自律的宇宙船航行システムの開発。
• 地球周辺を越えた深宇宙ミッションにおける位置不確実性の増大と通信遅延の問題への対処。
• 現在および将来のパルサーデータおよび検出器技術を用いたパルサー基盤航行の実現可能性と性能の評価。
• 実装上の実用的観点から、X線帯と電波帯の観測における利点とトレードオフの比較。
• ミリ秒パルサーが銀河全域にわたり安定した自然発生的ナビゲーションビーコンとして機能可能であることを示すこと。

提案手法

• ミリ秒パルサーからのX線および電波放射の正確なパルス到着時刻（TOAs）を、搭載された検出器を用いて測定する。
• 高精度なエフェマリスおよびパルサー時刻モデルを用いて、基準位置（例：太陽系質量中心）における予測到着時刻と観測されたTOAsを比較する。
• 複数のパルサーからの到着時刻差を用いた三角測量により、3次元空間における宇宙船の位置および速度を計算する。
• サブマイクロ秒の精度で到着時刻（TOA）推定が可能な信号処理技術（パルスプロファイルフィッティングを含む）を実装する。
• DEPFETベースのアクティブピクセルセンサ（APS）などの高度な検出器を活用し、低消費電力でスケーラブルな読み出し方式を実現する。
• 信号対雑音比を向上させるために、安定で良好に特徴づけられたプロファイルと高い放射度を持つ最適なパルサーを選定することで、航行性能を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パルサーは太陽系内およびその先の深宇宙航行において、安定した自律的基準フレームとして機能可能か？
• RQ2 現在および近い将来の機器を用いたX線および電波パルサー信号による位置精度はどの程度達成可能か？
• RQ3 電波帯におけるアンテナサイズ、観測時間、信号帯域幅のトレードオフは、航行性能にどのように影響するか？
• RQ4 深宇宙探査機にパルサー基盤ナビゲータを実装するにあたり、技術的および質量的制約は何か？
• RQ5 パルサー航行は、GPSやガリレオなどの既存のGNSS衛星コンステレーションに補完的システムとして統合可能か？

主な発見

• ミリ秒パルサーからのX線信号を用いたパルサー基盤航行は実現可能であり、太陽系内およびその先で±5 kmの位置精度を達成できる。
• 高精度なパルサー時刻テンプレートと感度の高いフェーズドアレイアンテナ（≥150 m²）を用いることで、電波ベースの航行はメートルレベルの精度を達成可能である。
• X線航行の主な制限要因は、到着時刻測定に用いられるパルスプロファイルテンプレートの不確実性であり、検出器性能の問題ではない。
• DEPFETベースのAPSのようなX線検出器は、低消費電力（1024×1024ピクセルアレイで≤22 W）かつ飛行用途に適したスケーラブルな設計を備えている。
• 今後の電波調査（例：エーサー・スクエア・キロメートル・アレイ（SKA））により、20,000～30,000個のパルサーが検出され、ナビゲーション用ビーコンのプールが大幅に拡大される見込みである。
• この手法は完全に自律的であり、地上通信を一切不要とし、長期間にわたる太陽系内および恒星間ミッションに最適である。