相对论框架下脉冲星导航的2PN观测方程

任红飞,魏子卿,周庆勇

1.地理信息工程国家重点实验室,陕西西安 710054;2.西安测绘研究所,陕西西安 710054

相对论框架下脉冲星导航的2PN观测方程

任红飞1,2,魏子卿1,2,周庆勇1,2

1.地理信息工程国家重点实验室,陕西西安 710054;2.西安测绘研究所,陕西西安 710054

介绍了脉冲星导航的研究进展,顾及天体的四极矩和角动量,推导了脉冲星导航的2PN观测方程,对导航观测方程中的2PN相对论效应进行数值分析。结果表明:在脉冲星导航中,太阳系天体的四极矩和角动量导致的时间延迟在10－13s量级;太阳对信号传播的引力弯曲不足1 ns,太阳系行星对信号的引力弯曲以木星为最大,量级为10－18s。

脉冲星导航;观测方程;相对论效应

1 引 言

关于脉冲星导航的构想最早产生于1974年[1]。天文观测卫星发射以后,文献[2]提出了用X射线脉冲星为近地卫星乃至星际飞行器导航的构想;文献[3]用HEAO-A1卫星实测数据对X射线脉冲星定姿方法进行验证;斯坦福大学线性加速器中心和美国海军实验室开展了USA试验,主要目的是验证脉冲星导航的可行性[4]。目前,世界主要大国都开展了相关的研究计划。美国DARPA于2005年提出了XNAV计划[5],最终目的是实现10 m(3σ)的定位精度;2004年,欧空局完成了脉冲星导航可行性研究[6];2009年,俄罗斯披露了其在该领域的一些研究进展,2012年3月30日,德国马克斯-普朗克研究院报道了其在脉冲星导航方面的研究进展。

导航观测方程是研究脉冲星导航的理论基础。文献[7—8]推导了1PN度规形式下的脉冲星计时观测方程;文献[14]推导脉冲星天文定时观测中的高阶相对论效应;文献[10]给出了1PN度规形式下的脉冲星导航观测方程;文献[15]研究了X射线脉冲星导航的测量方程和相对论修正公式。……