[论文解读] 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 25

一句话总结

本文提出利用脉冲星作为天然X射线和射电信标，实现自主航天器导航，通过精确测量脉冲信号到达时间，实现太阳系内及更远区域的定位精度达±5公里。该方法依赖于将星上脉冲时间与参考点（如太阳系质心）的预测到达时间进行比较，从而实现完全自主的深空导航，无需地面支持。

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.

研究动机与目标

• 开发一种完全独立于地面测控站的自主航天器导航系统。
• 解决深空任务在地球附近以外区域日益增长的位置不确定性与通信延迟问题。
• 评估基于当前及未来脉冲星数据与探测器技术的脉冲星导航的可行性与性能。
• 比较X射线与射电波段观测在实际实施中的优势与权衡。
• 证明毫秒脉冲星可作为银河系范围内稳定、天然存在的导航信标。

提出的方法

• 使用星上探测器精确测量毫秒脉冲星X射线与射电辐射的脉冲到达时间（TOAs）。
• 利用高精度星历和脉冲星计时模型，将观测到的TOAs与参考位置（如太阳系质心）的预测TOAs进行比较。
• 通过多个脉冲星的到达时间差进行三角测量，计算三维空间中的航天器位置与速度。
• 实施信号处理技术，包括脉冲轮廓拟合与亚微秒精度的到达时间（TOA）估计。
• 采用先进的探测器技术，如基于DEPFET的活性像素传感器（APS），具备低功耗与可扩展读出能力，适用于X射线探测。
• 通过选择脉冲轮廓稳定、特性明确且通量高的脉冲星，优化导航性能，提升信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲星能否为太阳系内外的深空导航提供稳定、自主的参考框架？
• RQ2 利用当前及近未来仪器，基于X射线与射电脉冲星信号可实现多高的定位精度？
• RQ3 在射电波段中，天线尺寸、观测时间与信号带宽之间的权衡如何影响导航性能？
• RQ4 在深空探测器上实现脉冲星导航系统面临哪些技术和质量限制？
• RQ5 脉冲星导航能否作为现有GNSS星座（如GPS或伽利略系统）的增强系统？

主要发现

• 基于毫秒脉冲星X射线信号的导航在技术上是可行的，在太阳系内及更远区域可实现±5公里的定位精度。
• 若使用高精度脉冲星计时模板与高灵敏度相控阵天线（≥150 m²），基于射电的导航可实现米级精度。
• X射线导航的主要限制在于用于到达时间测量的脉冲轮廓模板不确定性，而非探测器性能。
• 基于DEPFET的APS等X射线探测器具备低功耗（1024×1024像素阵列≤22 W）与可扩展设计，适用于飞行任务。
• 未来射电巡天项目如平方公里阵列（SKA）预计可探测20,000至30,000颗脉冲星，极大扩展可利用的导航信标数量。
• 该技术完全自主，无需地面通信，因此特别适用于长期的行星际与星际任务。