[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种基于射电脉冲星的导航方法，作为深空、航空、航海及地面导航的低成本、自主、全天候替代方案，以取代GNSS。研究表明，利用现有技术，2米口径天线可在36分钟内实现稳定的5:1信噪比脉冲星信号跟踪，从而实现无需依赖地面系统（如DSN）的连续位置确定。

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.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、自主的导航系统，以减少深空和地面任务对地面跟踪系统和GNSS的依赖。
• 通过利用无线电、光学和红外波段的脉冲星信号，克服传统光学和无线电天体导航的局限性，如天气依赖性和低精度。
• 证明使用小孔径天线（例如2米）在深空和行星环境中实现稳定脉冲星信号检测的可行性。
• 利用脉冲星作为天然天球信标，实现在航空航天、航空、航海和陆基平台上的连续、实时导航。
• 通过为私人和政府空间任务提供可扩展、可靠且抗干扰的导航解决方案，支持开启星际探索新纪元的愿景。

提出的方法

• 利用射电脉冲星作为稳定、周期性的天球信标，通过精确的时间测量实现自主的位置和时间确定。
• 应用信号处理技术，利用小孔径射电天线（例如2米直径）检测和跟踪脉冲星信号，以最小化尺寸和成本。
• 将脉冲星导航与惯性导航系统（INS）和恒星跟踪器集成，以提高导航解的精度和连续性。
• 采用相位锁定环（PLL）算法实现时间同步和姿态确定，基于适配至无线电波段的X射线脉冲星导航原理。
• 分析现有仪器和信号处理链路的灵敏度，以确定可靠导航所需的最小可检测信噪比（SNR）。
• 将X射线脉冲星导航（XNAV）的概念扩展至无线电波段和光学/红外波段，扩大其在非空间平台的应用范围。

实验结果

研究问题

• RQ1 在现有技术条件下，2米口径的射电天线是否能在36分钟内实现对强射电脉冲星的稳定、自主信号跟踪，并达到5:1的信噪比？
• RQ2 在深空和地球环境中，脉冲星导航与传统GNSS和惯性系统相比，在性能和可靠性方面表现如何？
• RQ3 脉冲星导航在空间之外的拓展程度如何，能否有效支持航空、航海和陆基导航系统？
• RQ4 从基于X射线的脉冲星导航向射电波段脉冲星导航过渡过程中，面临的技术和操作挑战是什么？
• RQ5 脉冲星导航是否能够提供连续、全天候、自主的定位，且不依赖于DSN或GNSS等地面基础设施？

主要发现

• 在现有技术条件下，2米口径的射电天线可在36分钟内实现对强射电脉冲星的稳定信噪比5的信号跟踪。
• 射电脉冲星导航在深空任务中具有可行性，可实现独立于地面系统的连续、自主位置确定。
• 该方法可在航空航天、航空、航海和陆基平台上实现全天候、抗干扰导航，克服光学和无线电天体导航的局限性。
• 将脉冲星导航与惯性系统和恒星跟踪器集成，可显著提高导航精度和可靠性，尤其在高动态或信号衰减环境中。
• 该方法可减少对DSN和GNSS的依赖，为私人空间事业和未来星际探索提供低成本、可扩展的解决方案。
• 脉冲星导航可扩展至光学和红外波段，实现太阳系内及地球领域更广泛的应用。