脉冲星的天体测量观测和应用

脉冲星的天体测量观测和应用1第1页，共26页，2023年，2月20日，星期四前言40年来，脉冲星越来越成为天体物理研究的热点领域，自提出脉冲星计时观测可作为飞行器自主导航的理想手段以后，特别是我们国家将其作为一项涉及国家战略的前瞻性研究项目以后，更成为我国天文界和航天界的一项紧迫的研究任务。从两天来的报告所提供的情况来看，通过脉冲星计时观测作航天器导航目前还只处于概念阶段，撇开技术问题不说，大家反复引用的公式还只是一个原理性的、概念性的公式，远未形成一个成熟的理论系统和工作流程。离开实际的实现还很遥远。2第2页，共26页，2023年，2月20日，星期四前言对于这样一个处于初级阶段的研究方向，需要从多方案、多视角、多途径进行探索性的研究，并需要特别重视多学科、多团队之间的合作、交流，包括研究成果交流、学术动态交流，以至基础性、概念性的讨论班。下面我们从天体测量学的角度对我国脉冲星导航问题研究阐述我们的视角。3第3页，共26页，2023年，2月20日，星期四前言天体坐标的测量方法可概括成方向角测量和光行时测量两大类，航天器的位置测定也是一样。方向角测量得到目标天体横向位置信息，通过光学成像技术实现，有绝对测量、相对测量和较差测量不同方法。脉冲星的光学观测至今进展不大。光行时测量得到与天体的距离有关的信息，通过各种计时手段实现，有单向光行时测量、双向光行时测量和较差光行时测量。对于遥远天体，只能实现较差光行时测量。周期稳定的脉冲星的计时观测可导出测站和太阳系质心间的较差光行时结果。4第4页，共26页，2023年，2月20日，星期四1、脉冲星的方向角测量至今，只有光学技术可以作直接的方向角的测量。天体光学波段的天体测量学观测，几百年来形成系列的观测方法，有相对于地方量度坐标系的绝对测量。如最初的子午环绝对测量，建立最初的天球参考架。相对于已知天体框架的相对测量。如子午环、天体照相望远镜等，主要做参考架加密。天体间弧长的较差测量。如伊巴谷卫星，用于建立一个无定向的均匀空间框架。5第5页，共26页，2023年，2月20日，星期四1、脉冲星的方向测量这些测量给出以角度表示的天体的方向参数。较近的天体还可通过方向参数变化与观测者位置变化的关系导出距离参数－视差。光学天体测量的主要成果是建立各类星表，一方面提供了精度不断提高的天球参考架；另方面，为各种天体物理学观测提供目标星表，或为天体物理学研究提供高精度的几何参数样本。6第6页，共26页，2023年，2月20日，星期四1、脉冲星的方向测量但至今为止脉冲星的光学观测进展不大，原因在于：脉冲星体积很小，典型的半径仅10km，在恒星距离尺度上它们的亮度非常微弱，如最著名的蟹状星云中心的脉冲星为17等，船帆座中的脉冲星甚至暗到24等。如此微弱的天体的光学积分观测难以区分其光辐射是连续的还是脉冲式的。7第7页，共26页，2023年，2月20日，星期四1、脉冲星的方向测量若能将脉冲星的光学观测和VLBI观测相联合，可作为光学参考架与射电参考架联系的一种途径。也为对脉冲星的物理研究提供可见光波段的信息。

是否应当开展脉冲星的光学观测并争取有所突破？这需要开发特殊的观测技术。8第8页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量遥远天体方向参数的另一类测量方法是测量无线电波传播的较差光行时－测量同一天体到两测站光行时之差，它取决于较差三角形，并可导出如下关系式

OA1A2这就是VLBI的工作原理，由此可以导出天体在基线框架间的坐标（测天），也可导出基线在天体框架间的坐标（测地），或两框架间的转换关系(测地球姿态）。9第9页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量如果将基线的一端放在地球卫星上或月球上，另一端仍在地球上，作较差光行时测量，可导出卫星或月球相对于地球的位置信息。如果将基线的一端放在太阳系质心处，另一端在地球或某人造天体上，作较差光行时测量，原理上可以测定地球或人造天体的质心坐标矢量的信息。但在现实中无法实现在质心处放置天线并作VLBI观测，需要借助特殊的较差测量原理。10第10页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量脉冲星具有非常稳定的脉冲周期，因此脉冲在假想的真空中传播到达质心坐标系的不动点的时刻应是可精确预测的，而其到达观测者时刻既包含观测者位置变化的信息(几何时延)，也包含引力场和传播介质产生的时延(物理时延)。若将两点间较差光行时减去各种物理时延，剩余的几何时延只反映了脉冲星到两者的距离差。所以这也是一种较差测距。由此可给出地球或人造天体相对于质心系的坐标信息－它们的质心矢量在源方向的投影，其几何原理和VLBI一样。不同的是VLBI可以测量任何形式的信号，而计时法只适用于非常有规律的信号。11第11页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量一切射电源的VLBI测量都可给出地球赤道的信息，而只有脉冲星计时观测导出的较差光行时可给出黄道信息。这是至今唯一能直接对地球作三维空间定位的方法，能不依赖于动力学理论测定出地球实际的质心位置。将其与其他建立在动力学理论基础上的轨道相比较，对改进行星地球的轨道历表和相关的理论将有许多不同的意义。12第12页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量如果将脉冲星计时观测装置放在深空飞行器上，依据上述同样原理，可以导出飞行器的质心坐标矢量。这为飞行器的自主导航提供依据。对于各种地基的轨道测控技术，横向定位精度都随航天器远离地球而成比例下降，但观测脉冲星实现的定位精度不随航天器远离地球而降低，这是该方法的最大优点。至于其在航天器安全方面的意义如所周知。13第13页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量脉冲星计时方法实现的较差光行时测量，其原理也很简单。脉冲星在测站的到达时刻，通过地方原子钟原时转换到地球时，再转换到质心坐标时，记为。假定整个光程空间是完全真空的平直空间，脉冲到达太阳系质心的时刻记为，称为质心瞬间。此时较差光行时可写成

上式右端两项分别是几何时延和物理时延。

这里的不同于脉冲实际的质心到达时刻。14第14页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量计时数据处理的目的是将脉冲到达时刻序列加以合理分解－将脉冲星本身的固有变化、几何时延和各种物理时延合理分离开来

这需要建立若干物理模型。到达时刻序列分解的合理程度取决于所采用的模型的合理程度。这是提高航天器定位精度的关键。15第15页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量通过脉冲星的长期计时观测，建立其脉冲时间间隔的统计模型，用以预报任何一个脉冲的质心瞬间。在现有的脉冲星研究中，是用地球运动历表计算几何时延的，这方法不能用于航天器导航，因为航天器的几何位置正是我们要求的。而且也不能用航天器的近似轨道位置代入经过迭代实现导航，因为在

中，几何时延和质心瞬间是全相关的，迭代没有效果。质心历元必须不依赖于地球历表独立导出。16第16页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量脉冲到达时刻中的非几何时延和VLBI中相应项的机制非常对应。对地球上的观测者，需要考虑大气时延、电离层时延、钟差、接收仪器时延、相对论时延等（但不包括原时和坐标时的换算改正）。对于深空飞行器上的观测仪器，没有大气时延和电离层时延。

在非几何时延得到改正后，用纯数学手段获得序列，于是可得到几何时延17第17页，共26页，2023年，2月20日，星期四2、脉冲星较差光行时测量由上述可见，对天体测量学科来说，通过脉冲星的计时观测归算出较差光行时，和VLBI用干涉法得到较差光行时，在几何原理上是完全相同的，在误差处理和方程解算方面是类似的，比如都要处理光行时中的非几何时延、都要确定整周模糊度等等。两类方法在技术上的差别主要在于信号的接收原理和观测量的获取方式方面。18第18页，共26页，2023年，2月20日，星期四3、导航的实现通过对配置合理的脉冲星座的计时观测，获得较差几何时延后，可以解出地球或航天器的瞬时质心矢量。这是航天器导航要解决的最终问题。由此可见，导航的根本问题是推导出航天器对太阳系质心的较差时延。这整个过程可以通过对地球的“导航”进行预研究。19第19页，共26页，2023年，2月20日，星期四3、导航的实现20第20页，共26页，2023年，2月20日，星期四3、导航的实现从地球“导航”起步，其理论成果不仅容易移植到航天器导航问题上，其本身也有重要的理论研究意义。这些都是典型的天体测量问题。

先从给地球“导航”入手，这是我们的基本思路。21第21页，共26页，2023年，2月20日，星期四3、导航的实现从地球“导航”入手的优点是：观测技术比较成熟，硬件设备基本具备。地球导航参数的计算理论和结果的精度可以得到很好的检验，可以明确地知道对与错，好与差。许多问题单靠模拟计算是不行的。地球导航理论研究可以和技术研究同时进行，成熟以后可以直接移植到飞行器导航问题上，大大缩短研究周期。22第22页，共26页，2023年，2月20日，星期四4、具体打算导航星座的准备选取分布合理、信号较强、周期稳定、同时具备无线电信号和X射线信号的一组脉冲星，经一致研究确认作为中国导航脉冲星座。对星座作长期持续的VLBI观测，精确确定其位置、自行、视差参数。对星座作长期持续的计时观测，对其变化规律作精细研究，给出高精度的预测模型。23第23页，共26页，2023年，2月20日，星期四