脈沖星的天體測量觀測和應(yīng)用

脈沖星的天體測量觀測和應(yīng)用1第1頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四前言40年來，脈沖星越來越成為天體物理研究的熱點領(lǐng)域，自提出脈沖星計時觀測可作為飛行器自主導(dǎo)航的理想手段以后，特別是我們國家將其作為一項涉及國家戰(zhàn)略的前瞻性研究項目以后，更成為我國天文界和航天界的一項緊迫的研究任務(wù)。從兩天來的報告所提供的情況來看，通過脈沖星計時觀測作航天器導(dǎo)航目前還只處于概念階段，撇開技術(shù)問題不說，大家反復(fù)引用的公式還只是一個原理性的、概念性的公式，遠(yuǎn)未形成一個成熟的理論系統(tǒng)和工作流程。離開實際的實現(xiàn)還很遙遠(yuǎn)。2第2頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四前言對于這樣一個處于初級階段的研究方向，需要從多方案、多視角、多途徑進(jìn)行探索性的研究，并需要特別重視多學(xué)科、多團(tuán)隊之間的合作、交流，包括研究成果交流、學(xué)術(shù)動態(tài)交流，以至基礎(chǔ)性、概念性的討論班。下面我們從天體測量學(xué)的角度對我國脈沖星導(dǎo)航問題研究闡述我們的視角。3第3頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四前言天體坐標(biāo)的測量方法可概括成方向角測量和光行時測量兩大類，航天器的位置測定也是一樣。方向角測量得到目標(biāo)天體橫向位置信息，通過光學(xué)成像技術(shù)實現(xiàn)，有絕對測量、相對測量和較差測量不同方法。脈沖星的光學(xué)觀測至今進(jìn)展不大。光行時測量得到與天體的距離有關(guān)的信息，通過各種計時手段實現(xiàn)，有單向光行時測量、雙向光行時測量和較差光行時測量。對于遙遠(yuǎn)天體，只能實現(xiàn)較差光行時測量。周期穩(wěn)定的脈沖星的計時觀測可導(dǎo)出測站和太陽系質(zhì)心間的較差光行時結(jié)果。4第4頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四1、脈沖星的方向角測量至今，只有光學(xué)技術(shù)可以作直接的方向角的測量。天體光學(xué)波段的天體測量學(xué)觀測，幾百年來形成系列的觀測方法，有相對于地方量度坐標(biāo)系的絕對測量。如最初的子午環(huán)絕對測量，建立最初的天球參考架。相對于已知天體框架的相對測量。如子午環(huán)、天體照相望遠(yuǎn)鏡等，主要做參考架加密。天體間弧長的較差測量。如伊巴谷衛(wèi)星，用于建立一個無定向的均勻空間框架。5第5頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四1、脈沖星的方向測量這些測量給出以角度表示的天體的方向參數(shù)。較近的天體還可通過方向參數(shù)變化與觀測者位置變化的關(guān)系導(dǎo)出距離參數(shù)－視差。光學(xué)天體測量的主要成果是建立各類星表，一方面提供了精度不斷提高的天球參考架；另方面，為各種天體物理學(xué)觀測提供目標(biāo)星表，或為天體物理學(xué)研究提供高精度的幾何參數(shù)樣本。6第6頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四1、脈沖星的方向測量但至今為止脈沖星的光學(xué)觀測進(jìn)展不大，原因在于：脈沖星體積很小，典型的半徑僅10km，在恒星距離尺度上它們的亮度非常微弱，如最著名的蟹狀星云中心的脈沖星為17等，船帆座中的脈沖星甚至暗到24等。如此微弱的天體的光學(xué)積分觀測難以區(qū)分其光輻射是連續(xù)的還是脈沖式的。7第7頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四1、脈沖星的方向測量若能將脈沖星的光學(xué)觀測和VLBI觀測相聯(lián)合，可作為光學(xué)參考架與射電參考架聯(lián)系的一種途徑。也為對脈沖星的物理研究提供可見光波段的信息。

是否應(yīng)當(dāng)開展脈沖星的光學(xué)觀測并爭取有所突破？這需要開發(fā)特殊的觀測技術(shù)。8第8頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量遙遠(yuǎn)天體方向參數(shù)的另一類測量方法是測量無線電波傳播的較差光行時－測量同一天體到兩測站光行時之差，它取決于較差三角形，并可導(dǎo)出如下關(guān)系式

OA1A2這就是VLBI的工作原理，由此可以導(dǎo)出天體在基線框架間的坐標(biāo)（測天），也可導(dǎo)出基線在天體框架間的坐標(biāo)（測地），或兩框架間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(測地球姿態(tài)）。9第9頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量如果將基線的一端放在地球衛(wèi)星上或月球上，另一端仍在地球上，作較差光行時測量，可導(dǎo)出衛(wèi)星或月球相對于地球的位置信息。如果將基線的一端放在太陽系質(zhì)心處，另一端在地球或某人造天體上，作較差光行時測量，原理上可以測定地球或人造天體的質(zhì)心坐標(biāo)矢量的信息。但在現(xiàn)實中無法實現(xiàn)在質(zhì)心處放置天線并作VLBI觀測，需要借助特殊的較差測量原理。10第10頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量脈沖星具有非常穩(wěn)定的脈沖周期，因此脈沖在假想的真空中傳播到達(dá)質(zhì)心坐標(biāo)系的不動點的時刻應(yīng)是可精確預(yù)測的，而其到達(dá)觀測者時刻既包含觀測者位置變化的信息(幾何時延)，也包含引力場和傳播介質(zhì)產(chǎn)生的時延(物理時延)。若將兩點間較差光行時減去各種物理時延，剩余的幾何時延只反映了脈沖星到兩者的距離差。所以這也是一種較差測距。由此可給出地球或人造天體相對于質(zhì)心系的坐標(biāo)信息－它們的質(zhì)心矢量在源方向的投影，其幾何原理和VLBI一樣。不同的是VLBI可以測量任何形式的信號，而計時法只適用于非常有規(guī)律的信號。11第11頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量一切射電源的VLBI測量都可給出地球赤道的信息，而只有脈沖星計時觀測導(dǎo)出的較差光行時可給出黃道信息。這是至今唯一能直接對地球作三維空間定位的方法，能不依賴于動力學(xué)理論測定出地球?qū)嶋H的質(zhì)心位置。將其與其他建立在動力學(xué)理論基礎(chǔ)上的軌道相比較，對改進(jìn)行星地球的軌道歷表和相關(guān)的理論將有許多不同的意義。12第12頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量如果將脈沖星計時觀測裝置放在深空飛行器上，依據(jù)上述同樣原理，可以導(dǎo)出飛行器的質(zhì)心坐標(biāo)矢量。這為飛行器的自主導(dǎo)航提供依據(jù)。對于各種地基的軌道測控技術(shù)，橫向定位精度都隨航天器遠(yuǎn)離地球而成比例下降，但觀測脈沖星實現(xiàn)的定位精度不隨航天器遠(yuǎn)離地球而降低，這是該方法的最大優(yōu)點。至于其在航天器安全方面的意義如所周知。13第13頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量脈沖星計時方法實現(xiàn)的較差光行時測量，其原理也很簡單。脈沖星在測站的到達(dá)時刻，通過地方原子鐘原時轉(zhuǎn)換到地球時，再轉(zhuǎn)換到質(zhì)心坐標(biāo)時，記為。假定整個光程空間是完全真空的平直空間，脈沖到達(dá)太陽系質(zhì)心的時刻記為，稱為質(zhì)心瞬間。此時較差光行時可寫成

上式右端兩項分別是幾何時延和物理時延。

這里的不同于脈沖實際的質(zhì)心到達(dá)時刻。14第14頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量計時數(shù)據(jù)處理的目的是將脈沖到達(dá)時刻序列加以合理分解－將脈沖星本身的固有變化、幾何時延和各種物理時延合理分離開來

這需要建立若干物理模型。到達(dá)時刻序列分解的合理程度取決于所采用的模型的合理程度。這是提高航天器定位精度的關(guān)鍵。15第15頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量通過脈沖星的長期計時觀測，建立其脈沖時間間隔的統(tǒng)計模型，用以預(yù)報任何一個脈沖的質(zhì)心瞬間。在現(xiàn)有的脈沖星研究中，是用地球運(yùn)動歷表計算幾何時延的，這方法不能用于航天器導(dǎo)航，因為航天器的幾何位置正是我們要求的。而且也不能用航天器的近似軌道位置代入經(jīng)過迭代實現(xiàn)導(dǎo)航，因為在

中，幾何時延和質(zhì)心瞬間是全相關(guān)的，迭代沒有效果。質(zhì)心歷元必須不依賴于地球歷表獨立導(dǎo)出。16第16頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量脈沖到達(dá)時刻中的非幾何時延和VLBI中相應(yīng)項的機(jī)制非常對應(yīng)。對地球上的觀測者，需要考慮大氣時延、電離層時延、鐘差、接收儀器時延、相對論時延等（但不包括原時和坐標(biāo)時的換算改正）。對于深空飛行器上的觀測儀器，沒有大氣時延和電離層時延。

在非幾何時延得到改正后，用純數(shù)學(xué)手段獲得序列，于是可得到幾何時延17第17頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四2、脈沖星較差光行時測量由上述可見，對天體測量學(xué)科來說，通過脈沖星的計時觀測歸算出較差光行時，和VLBI用干涉法得到較差光行時，在幾何原理上是完全相同的，在誤差處理和方程解算方面是類似的，比如都要處理光行時中的非幾何時延、都要確定整周模糊度等等。兩類方法在技術(shù)上的差別主要在于信號的接收原理和觀測量的獲取方式方面。18第18頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四3、導(dǎo)航的實現(xiàn)通過對配置合理的脈沖星座的計時觀測，獲得較差幾何時延后，可以解出地球或航天器的瞬時質(zhì)心矢量。這是航天器導(dǎo)航要解決的最終問題。由此可見，導(dǎo)航的根本問題是推導(dǎo)出航天器對太陽系質(zhì)心的較差時延。這整個過程可以通過對地球的“導(dǎo)航”進(jìn)行預(yù)研究。19第19頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四3、導(dǎo)航的實現(xiàn)20第20頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四3、導(dǎo)航的實現(xiàn)從地球“導(dǎo)航”起步，其理論成果不僅容易移植到航天器導(dǎo)航問題上，其本身也有重要的理論研究意義。這些都是典型的天體測量問題。

先從給地球“導(dǎo)航”入手，這是我們的基本思路。21第21頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四3、導(dǎo)航的實現(xiàn)從地球“導(dǎo)航”入手的優(yōu)點是：觀測技術(shù)比較成熟，硬件設(shè)備基本具備。地球?qū)Ш絽?shù)的計算理論和結(jié)果的精度可以得到很好的檢驗，可以明確地知道對與錯，好與差。許多問題單靠模擬計算是不行的。地球?qū)Ш嚼碚撗芯靠梢院图夹g(shù)研究同時進(jìn)行，成熟以后可以直接移植到飛行器導(dǎo)航問題上，大大縮短研究周期。22第22頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四4、具體打算導(dǎo)航星座的準(zhǔn)備選取分布合理、信號較強(qiáng)、周期穩(wěn)定、同時具備無線電信號和X射線信號的一組脈沖星，經(jīng)一致研究確認(rèn)作為中國導(dǎo)航脈沖星座。對星座作長期持續(xù)的VLBI觀測，精確確定其位置、自行、視差參數(shù)。對星座作長期持續(xù)的計時觀測，對其變化規(guī)律作精細(xì)研究，給出高精度的預(yù)測模型。23第23頁，共26頁，2023年，2月20日，星期四