空间计量与脉冲星导航

刘 民 帅 平 刘志宏 李 军

（1.北京东方计量测试研究所，北京100086；2.中国空间技术研究院 钱学森实验室，北京100094）

1 引 言

脉冲星是高速自转的中子星，其磁极轴与自转轴有一个固定的夹角，两磁极沿轴线方向连续辐射出宽谱段电磁波，从射频到γ 射线频段均有能量分布，随着脉冲星的自转，辐射能量周期性地扫过太阳系，太阳系各处都能探测到周期性的脉冲信号。脉冲星距离太阳系非常遥远，因此相对于太阳系惯性框架，它几乎静止不动，每颗脉冲星有自己独特的脉冲轮廓，周期非常稳定。 据加拿大McGill 大学、英国Manchester 大学、美国Columbia 大学、Cornell 大学以及德国、荷兰等学者联合发布的论文，对最新观测的5 颗毫秒脉冲星的观测数据进行计算，得出周期变化率在10－19～10－21s／s 之间［1］。目前已编目的脉冲星有2000 多颗，可适用于导航的X 射线脉冲星达到几十颗，长期计时稳定度优于10－15／d［2］。 脉冲星以其超高稳定性将成为太阳系内时空守时系统的自然基准。 当脉冲星在惯性坐标系中的固定位置、脉冲周期以及脉冲轮廓成为已知量时，携带脉冲星探测设备的航天器就可以利用这些信息进行自主导航，并且具备了时间计量能力。 脉冲星导航的基本原理，见图1。 脉冲星的电磁辐射进入太阳系内可看作平面电磁波，先不考虑光线在引力场中的弯曲，简单理解为一对平行光线从脉冲星方向到坐标原点OSSB和航天器，脉冲星PSR1 的某一个脉冲信号到达OSSB的时间为tSSB1，同一个脉冲信号到达航天器的时间为tSC1，时间差△t1＝tSSB1－tSC1＝d1／c，其中c 为光速常数。……