脈沖星的天體測(cè)量觀測(cè)和應(yīng)用

脈沖星的天體測(cè)量觀測(cè)和應(yīng)用1第一頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五前言40年來(lái)，脈沖星越來(lái)越成為天體物理研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，自提出脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)可作為飛行器自主導(dǎo)航的理想手段以后，特別是我們國(guó)家將其作為一項(xiàng)涉及國(guó)家戰(zhàn)略的前瞻性研究項(xiàng)目以后，更成為我國(guó)天文界和航天界的一項(xiàng)緊迫的研究任務(wù)。從兩天來(lái)的報(bào)告所提供的情況來(lái)看，通過(guò)脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)作航天器導(dǎo)航目前還只處于概念階段，撇開(kāi)技術(shù)問(wèn)題不說(shuō)，大家反復(fù)引用的公式還只是一個(gè)原理性的、概念性的公式，遠(yuǎn)未形成一個(gè)成熟的理論系統(tǒng)和工作流程。離開(kāi)實(shí)際的實(shí)現(xiàn)還很遙遠(yuǎn)。2第二頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五前言對(duì)于這樣一個(gè)處于初級(jí)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(duì)之間的合作、交流，包括研究成果交流、學(xué)術(shù)動(dòng)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(cè)量學(xué)的角度對(duì)我國(guó)脈沖星導(dǎo)航問(wèn)題研究闡述我們的視角。3第三頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五前言天體坐標(biāo)的測(cè)量方法可概括成方向角測(cè)量和光行時(shí)測(cè)量?jī)纱箢?，航天器的位置測(cè)定也是一樣。方向角測(cè)量得到目標(biāo)天體橫向位置信息，通過(guò)光學(xué)成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)，有絕對(duì)測(cè)量、相對(duì)測(cè)量和較差測(cè)量不同方法。脈沖星的光學(xué)觀測(cè)至今進(jìn)展不大。光行時(shí)測(cè)量得到與天體的距離有關(guān)的信息，通過(guò)各種計(jì)時(shí)手段實(shí)現(xiàn)，有單向光行時(shí)測(cè)量、雙向光行時(shí)測(cè)量和較差光行時(shí)測(cè)量。對(duì)于遙遠(yuǎn)天體，只能實(shí)現(xiàn)較差光行時(shí)測(cè)量。周期穩(wěn)定的脈沖星的計(jì)時(shí)觀測(cè)可導(dǎo)出測(cè)站和太陽(yáng)系質(zhì)心間的較差光行時(shí)結(jié)果。4第四頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、脈沖星的方向角測(cè)量至今，只有光學(xué)技術(shù)可以作直接的方向角的測(cè)量。天體光學(xué)波段的天體測(cè)量學(xué)觀測(cè)，幾百年來(lái)形成系列的觀測(cè)方法，有相對(duì)于地方量度坐標(biāo)系的絕對(duì)測(cè)量。如最初的子午環(huán)絕對(duì)測(cè)量，建立最初的天球參考架。相對(duì)于已知天體框架的相對(duì)測(cè)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(zhǎng)的較差測(cè)量。如伊巴谷衛(wèi)星，用于建立一個(gè)無(wú)定向的均勻空間框架。5第五頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、脈沖星的方向測(cè)量這些測(cè)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(guò)方向參數(shù)變化與觀測(cè)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(cè)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(cè)提供目標(biāo)星表，或?yàn)樘祗w物理學(xué)研究提供高精度的幾何參數(shù)樣本。6第六頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、脈沖星的方向測(cè)量但至今為止脈沖星的光學(xué)觀測(cè)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(cè)難以區(qū)分其光輻射是連續(xù)的還是脈沖式的。7第七頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五1、脈沖星的方向測(cè)量若能將脈沖星的光學(xué)觀測(cè)和VLBI觀測(cè)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(duì)脈沖星的物理研究提供可見(jiàn)光波段的信息。

是否應(yīng)當(dāng)開(kāi)展脈沖星的光學(xué)觀測(cè)并爭(zhēng)取有所突破？這需要開(kāi)發(fā)特殊的觀測(cè)技術(shù)。8第八頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)量遙遠(yuǎn)天體方向參數(shù)的另一類測(cè)量方法是測(cè)量無(wú)線電波傳播的較差光行時(shí)－測(cè)量同一天體到兩測(cè)站光行時(shí)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(cè)天），也可導(dǎo)出基線在天體框架間的坐標(biāo)（測(cè)地），或兩框架間的轉(zhuǎn)換關(guān)系(測(cè)地球姿態(tài)）。9第九頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)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(shí)測(cè)量，可導(dǎo)出衛(wèi)星或月球相對(duì)于地球的位置信息。如果將基線的一端放在太陽(yáng)系質(zhì)心處，另一端在地球或某人造天體上，作較差光行時(shí)測(cè)量，原理上可以測(cè)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(shí)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)在質(zhì)心處放置天線并作VLBI觀測(cè)，需要借助特殊的較差測(cè)量原理。10第十頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)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(dòng)點(diǎn)的時(shí)刻應(yīng)是可精確預(yù)測(cè)的，而其到達(dá)觀測(cè)者時(shí)刻既包含觀測(cè)者位置變化的信息(幾何時(shí)延)，也包含引力場(chǎng)和傳播介質(zhì)產(chǎn)生的時(shí)延(物理時(shí)延)。若將兩點(diǎn)間較差光行時(shí)減去各種物理時(shí)延，剩余的幾何時(shí)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(cè)距。由此可給出地球或人造天體相對(duì)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(cè)量任何形式的信號(hào)，而計(jì)時(shí)法只適用于非常有規(guī)律的信號(hào)。11第十一頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)量一切射電源的VLBI測(cè)量都可給出地球赤道的信息，而只有脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)導(dǎo)出的較差光行時(shí)可給出黃道信息。這是至今唯一能直接對(duì)地球作三維空間定位的方法，能不依賴于動(dòng)力學(xué)理論測(cè)定出地球?qū)嶋H的質(zhì)心位置。將其與其他建立在動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)上的軌道相比較，對(duì)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第十二頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)量如果將脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)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(duì)于各種地基的軌道測(cè)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(cè)脈沖星實(shí)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(diǎn)。至于其在航天器安全方面的意義如所周知。13第十三頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)量脈沖星計(jì)時(shí)方法實(shí)現(xiàn)的較差光行時(shí)測(cè)量，其原理也很簡(jiǎn)單。脈沖星在測(cè)站的到達(dá)時(shí)刻，通過(guò)地方原子鐘原時(shí)轉(zhuǎn)換到地球時(shí)，再轉(zhuǎn)換到質(zhì)心坐標(biāo)時(shí)，記為。假定整個(gè)光程空間是完全真空的平直空間，脈沖到達(dá)太陽(yáng)系質(zhì)心的時(shí)刻記為，稱為質(zhì)心瞬間。此時(shí)較差光行時(shí)可寫(xiě)成

上式右端兩項(xiàng)分別是幾何時(shí)延和物理時(shí)延。

這里的不同于脈沖實(shí)際的質(zhì)心到達(dá)時(shí)刻。14第十四頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)量計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)處理的目的是將脈沖到達(dá)時(shí)刻序列加以合理分解－將脈沖星本身的固有變化、幾何時(shí)延和各種物理時(shí)延合理分離開(kāi)來(lái)

這需要建立若干物理模型。到達(dá)時(shí)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第十五頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)量通過(guò)脈沖星的長(zhǎng)期計(jì)時(shí)觀測(cè)，建立其脈沖時(shí)間間隔的統(tǒng)計(jì)模型，用以預(yù)報(bào)任何一個(gè)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(dòng)歷表計(jì)算幾何時(shí)延的，這方法不能用于航天器導(dǎo)航，因?yàn)楹教炱鞯膸缀挝恢谜俏覀円蟮摹６乙膊荒苡煤教炱鞯慕栖壍牢恢么虢?jīng)過(guò)迭代實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航，因?yàn)樵?/p>

中，幾何時(shí)延和質(zhì)心瞬間是全相關(guān)的，迭代沒(méi)有效果。質(zhì)心歷元必須不依賴于地球歷表獨(dú)立導(dǎo)出。16第十六頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)量脈沖到達(dá)時(shí)刻中的非幾何時(shí)延和VLBI中相應(yīng)項(xiàng)的機(jī)制非常對(duì)應(yīng)。對(duì)地球上的觀測(cè)者，需要考慮大氣時(shí)延、電離層時(shí)延、鐘差、接收儀器時(shí)延、相對(duì)論時(shí)延等（但不包括原時(shí)和坐標(biāo)時(shí)的換算改正）。對(duì)于深空飛行器上的觀測(cè)儀器，沒(méi)有大氣時(shí)延和電離層時(shí)延。

在非幾何時(shí)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(shí)延17第十七頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五2、脈沖星較差光行時(shí)測(cè)量由上述可見(jiàn)，對(duì)天體測(cè)量學(xué)科來(lái)說(shuō)，通過(guò)脈沖星的計(jì)時(shí)觀測(cè)歸算出較差光行時(shí)，和VLBI用干涉法得到較差光行時(shí)，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(shí)中的非幾何時(shí)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(hào)的接收原理和觀測(cè)量的獲取方式方面。18第十八頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)通過(guò)對(duì)配置合理的脈沖星座的計(jì)時(shí)觀測(cè)，獲得較差幾何時(shí)延后，可以解出地球或航天器的瞬時(shí)質(zhì)心矢量。這是航天器導(dǎo)航要解決的最終問(wèn)題。由此可見(jiàn)，導(dǎo)航的根本問(wèn)題是推導(dǎo)出航天器對(duì)太陽(yáng)系質(zhì)心的較差時(shí)延。這整個(gè)過(guò)程可以通過(guò)對(duì)地球的“導(dǎo)航”進(jìn)行預(yù)研究。19第十九頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)20第二十頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、導(dǎo)航的實(shí)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(wèn)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(cè)量問(wèn)題。

先從給地球“導(dǎo)航”入手，這是我們的基本思路。21第二十一頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五3、導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)從地球“導(dǎo)航”入手的優(yōu)點(diǎn)是：觀測(cè)技術(shù)比較成熟，硬件設(shè)備基本具備。地球?qū)Ш絽?shù)的計(jì)算理論和結(jié)果的精度可以得到很好的檢驗(yàn)，可以明確地知道對(duì)與錯(cuò)，好與差。許多問(wèn)題單靠模擬計(jì)算是不行的。地球?qū)Ш嚼碚撗芯靠梢院图夹g(shù)研究同時(shí)進(jìn)行，成熟以后可以直接移植到飛行器導(dǎo)航問(wèn)題上，大大縮短研究周期。22第二十二頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期五4、具體打算導(dǎo)航星座的準(zhǔn)備選取分布合理、信號(hào)較強(qiáng)、周期穩(wěn)定、同時(shí)具備無(wú)線電信號(hào)和X射線信號(hào)的一組脈沖星，經(jīng)一致研究確認(rèn)作為中國(guó)導(dǎo)航脈沖星座。對(duì)星座作長(zhǎng)期持續(xù)的VLBI觀測(cè)，精確確定其位置、自行、視差參數(shù)。對(duì)星座作長(zhǎng)期持續(xù)的計(jì)時(shí)觀測(cè)，對(duì)其變化規(guī)律作精細(xì)研究，給出高精度的預(yù)測(cè)模型。23第二十三頁(yè)，共二十六頁(yè)，編輯于2023年，星期