[論文レビュー] The Principle and Application of Maser Navigation

Jiang Dong|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2008

Stellar, planetary, and galactic studies参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、水(H₂O)、酸化ホルミル(OH)、酸化ケイ素(SiO)などの自然な電波メーザーが発する強いスペクトル線のドップラー周波数変化測定を用いたメーザー基盤の自律航行を提案する。既存の電波機器とデジタル信号処理を活用することで、1m未塔から数十mの位置精度を達成し、現在の星像センサーよりも優れており、GNSSに依存しない連続的な深宇宙航行を可能にし、第III型カラダシェフ文明による恒星間航行への道筋を示している。

ABSTRACT

The traditional celestial navigation system (CNS) is used the moon, stars, and planets as celestial guides. Then the star tracker (i.e. track one star or planet or angle between it) and star sensor (i.e. sense many star simultaneous) be used to determine the attitude of the spacecraft. Pulsar navigation also be introduced to CNS. Maser is another interested celestial in radio astronomy which has strong flux density as spectral line. Now we analysis the principle of maser navigation which base on measuring Doppler shift frequency spectra and the feasibility that use the exist instrument. We give the navigation equations of maser-based navigation system and discuss the integrated navigation use maser, then give the perspective in the Milky Way and the intergalatic. Our analysis show that use one meter antenna can achieve tens of meters position accuracy which better than today's star sensor. After integrated with maser navigation, pulsar navigation and star sensor in CNS and inertial navigation system, is it not only increase the reliability and redundancy of navigation or guiding system but also can less or abolish the depend of Global Navigation Satellite System (GNSS) which include GPS, GRONSS, Galileo and BeiDou et al. Maser navigation can give the continuous position in deep space, that means we can freedom fly successfully in the Milky Way which use celestial navigation that include maser, pulsar and traditional star sensor. Maser as nature beacon in the universe will make human freely fly in the space of the Milky Way, even outer of it. That is extraordinary in the human evolution to type III of Kardashev civilizations.

研究の動機と目的

• 自然な天体メーザーを電波ビーコンとして用いた新しい自律航行システムの開発を目的とする。
• 深宇宙における従来の天体航行法やGNSSの限界、特に食中や深宇宙網(DSN)の追跡不能時における課題を克服することを目的とする。
• 銀河系および銀河間空間を横断する連続的で信頼性が高く自律的な航行を可能とすることを目的とする。
• メーザー航行をパulsar、星像センサーや慣性航法システムと統合し、冗長性とシステムの耐障害性を向上させることを目的とする。
• 新技術の実用的ブレークスルーを要せず、既存の電波望遠鏡およびデジタル信号処理技術を用いて実現可能性を示すこと。

提案手法

• 1mの電波アンテナを用いて、天体メーザー（例：H₂O、OH、SiO）のスペクトル線におけるドップラー周波数変化を測定する。
• 弱信号検出、スペクトル正規化、ガウス分布フィッティングなどのデジタル信号処理(DSP)技術を適用し、低SNRのメーザー信号を強化する。
• スペクトル線の位相情報を用いて径方向速度を推定し、航行方程式を用いて深宇宙における宇宙船の位置を特定する。
• カルマンフィルタリングと情報統合を用いて、メーザー航行をパルサー時計、星像センサーや慣性航法システム(INERTIAL NAVIGATION SYSTEM: INS)と統合する。
• 高速ADC、FPGA、GPU、マルチコアコンピューティングを活用し、リアルタイムのスペクトル解析と信号処理を実現する。
• 長基線干渉計測定の補正を高めるために、既存のVLBIインfraストラクチャと技術を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然なメーザーは、深宇宙の自律航行用に安定的で継続的な電波ビーコンとして利用可能だろうか？
• RQ2 1mアンテナを用いたメーザーのスペクトル線のドップラー周波数変化測定によって、どの程度の位置精度が達成可能だろうか？
• RQ3 現在の星像センサーやパルサー基盤航行と比較して、メーザー航行の精度と信頼性はどの程度か？
• RQ4 パルサー、星、慣性航法システムと統合された航行が、システムの耐障害性と冗長性をどのように向上させるか？
• RQ5 メーザー航行は、銀河系および銀河間空間を横断する自律的でGNSSフリーの飛行をどの程度可能にするか？

主な発見

• 1mアンテナを用いたメーザー航行は、数十mの位置精度を達成可能であり、現在の光学的星像センサの約100m（3σ）を上回る。
• 本手法は、分子雲、彗星、活動銀河核に存在するメーザーからの狭帯域スペクトル線のドップラー周波数変化に依存しており、既存の電波機器で検出可能である。
• スペクトル正規化やガウスフィッティングなどのデジタル信号処理技術は、弱いメーザー信号の検出と推定を顕著に向上させる。
• メーザー航行をパルサー、星像センサーや慣性航法システムと統合することで、システムの信頼性、冗長性、自律性が向上し、GNSSへの依存が低減される。
• メーザーを用いた恒星間航行の実現可能性が示され、将来的に第III型カラダシェフ文明レベルの宇宙探査能力を可能にする可能性を有する。
• 本システムは、既存の深宇宙通信インfraストラクチャと互換性があり、天体が遮蔽する場合でも、常に連続して運用可能である。