[論文レビュー] Pulsar Navigation in the Solar System

Jiang Dong|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2008

Inertial Sensor and Navigation参考文献 54被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、深宇宙および航空・航海・地上のナビゲーションのための、GNSSに代わる低コストで自律的かつ全天候性の高い無線パルサーを用いたナビゲーション手法を提案する。現在の技術を用いて、2メートルの電波アンテナが36分間で安定した5:1の信号対雑音比（SNR）のパルサー追跡を達成できることを示しており、地上の施設（DSNなど）に依存しない連続的位置決定が可能となる。

ABSTRACT

The X-ray Navigation and Autonomous position Verification (XNAV) is tested which use the Crab pulsar under the Space Test Program that use starlight refraction. It provide the way that the spacecraft could autonomously determine its position with respect to an inertial origin. Now we analysis the sensitivity of the exist instrument and the signal process that use radio pulsar navigation and discuss the integrated navigation which use radio pulsar, then give the different navigation mission analysis and design process basically which include the space, the airborne, the ship and the land of the planet or the lunar. Our analysis show that we will have the stability profile (signal-to-noise is 5) that use a 2 meters antenna observe some strong sources of radio pulsar in 36 minutes which based on the today's technology. So the pulsar navigation can give the continuous position in deep space, hat means we can freedom fly successfully in the solar system use celestial navigation that include pulsar and traditional star sensor. It also can less or abolish the dependence to Global Navigation Satellite System (GNSS) which include GPS, GRONSS, Galileo and BeiDou et al.

研究の動機と目的

• 深宇宙および地上ミッションにおける地上追跡システムや GNSS への依存を低減する、低コストで自律的なナビゲーションシステムの開発を目的とする。
• 光学および電波天体測位の従来の制限（天候依存性や低精度）を、電波・光学・赤外帯域にわたるパルサー信号の活用によって克服することを目的とする。
• 小型開口部アンテナ（例：2メートル）を用いた、深宇宙および惑星環境下での安定したパルサー信号検出の実現可能性を実証することを目的とする。
• パルサーを自然の天体ビーコンとして用いることで、航空宇宙・航空・航海・陸上プラットフォームにわたり、連続的かつリアルタイムのナビゲーションを可能とすることを目的とする。
• 民間および政府の宇宙ミッションにスケーラブルで信頼性が高く、ジャミングに強く、新しい太陽系間探査の時代を支えるナビゲーションソリューションを提供することを目的とする。

提案手法

• 高精度な時刻測定を用いて、安定した周期的天体ビーコンとしての電波パルサーを用いて、自律的な位置・時刻決定を実現する。
• 小型開口部電波アンテナ（例：2メートル径）を用いたパルス信号の検出および追跡に信号処理技術を適用し、サイズとコストを最小限に抑える。
• インertial navigation systems（INS）および星像トラッキング装置と統合することで、ナビゲーション解の精度と継続性を向上させる。
• X線パルサーによるナビゲーション（XNAV）の原則を電波帯に適応し、位相ロックループ（PLL）アルゴリズムを用いて時刻同期および姿勢決定を実現する。
• 既存の機器および信号処理チェーンの感度を分析し、信頼性のあるナビゲーションに必要な最小検出可能信号対雑音比（SNR）を特定する。
• X線パルサーによるナビゲーション（XNAV）の概念を電波帯および光学／赤外帯に拡張し、宇宙プラットフォームにとどまらない応用範囲を広げる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の技術を用いて、2メートルの電波アンテナが、強力な電波パルサーを36分間追跡することで、安定した信号対雑音比5:1を達成できるか？
• RQ2 深宇宙および地上環境において、パルサーナビゲーションは従来の GNSS やインertial システムと比べて、性能および信頼性においてどのように異なるか？
• RQ3 パルサーに基づくナビゲーションは、宇宙を越えて航空・航海・地上ナビゲーションシステムへまでどの程度拡張可能か？
• RQ4 実用的導入に向けたX線ベースのパルサーナビゲーションから電波帯パルサーナビゲーションへの移行に伴う技術的および運用的課題は何か？
• RQ5 パルサーナビゲーションは、DSN や GNSS といった地上インfraに依存せずに、連続的かつ全天候的・自律的な位置決定を提供できるか？

主な発見

• 現在の技術を用いて、2メートルの電波アンテナが、強力な電波パルサーを36分間追跡することで、安定した信号対雑音比5:1を達成できる。
• 電波パルサーによるナビゲーションは、深宇宙ミッションにおいて実現可能であり、地上施設に依存しない連続的・自律的位置決定を可能にする。
• 本手法により、航空宇宙・航空・航海・陸上プラットフォームにわたり、全天候性・ジャミング耐性のあるナビゲーションが実現可能となり、光学および電波天体測位の制限を克服する。
• パルサーナビゲーションをインertialシステムおよび星像トラッキング装置と統合することで、高動的または信号劣化環境下でもナビゲーションの精度と信頼性が向上する。
• DSN や GNSS への依存が低減され、民間宇宙事業および将来の太陽系間探査に向けた低コストでスケーラブルなソリューションを提供する。
• パルサーナビゲーションは、光学および赤外帯へも拡張可能であり、太陽系および地球周辺分野への広範な応用を可能にする。