[发明专利]一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，属于导航制导控制领域，尤其是深空自主导航领域。

背景技术

随着科技的发展和人类对宇宙的探所，当前可供深空探测器使用的导航手段主要是地面无线电导航，并以光学自主导航作为补充，地面无线电导航能力受限于测控站的分布、器地距离等。现有的GPS、光学导航地面试验系统技术无法满足航天器深空长时间自主导航的需求，X射线脉冲星导航能提供良好的时间频率源、自主性强、抗干扰性好、且其导航覆盖范围宽，为深空航天器自主导航提供了一种新的思路和可行途径。目前已有的X射线脉冲星导航设计方法主要采用Wolter型X射线望远系统，其体积大(多为数米长)，质量重(多为数百千克)，视场小(多小于1度)，不适宜用于作为深空导航敏感器使用。由于X射线本身能级很高，与常见镜头物质接触后主要是被吸收，而不是折射，因而难以汇聚，而只有以掠入射的方式才能形成反射式聚焦。这给研制视场大，体积重量小的X射线导航敏感器带来了极大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，实现适用于深空大视场长时间高精度航天器自主导航，来解决传统Wolter型X射线导航视场小的缺点，实现对航天器的时间、轨道、姿态独立控制。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，其包含：

龙虾眼光学系统，通过半径为R的球形或半球形镜面侧壁，将从脉冲星掠入射的X射线反射，并将X射线光子汇聚到半径为R/2的球面或半球面处；

球面探测器，其球形或半球形的探测面布置于所述半径为R/2的球面或半球面处，用来对X射线光子进行探测，并通过该球面探测器测量X射线光子达到所述导航敏感器的光子达到时间；

电子学系统，对探测到的X射线光子进行时间累积形成脉冲轮廓，并将脉冲轮廓与标准脉冲星数据库对比，得到所述脉冲星的目标特性信息用来进行数据处理和解算，以获得导航信息。

优选地，所述龙虾眼光学系统采用半球形微通道结构，包含按照同一个半球面排列的多个立方柱体，每个立方柱体的侧壁镀有金属膜以反射X射线。

优选地，所述球面探测器利用星载时钟记录X射线光子的光子到达时间。

优选地，所述导航敏感器设置于航天器，同时对多个脉冲星分别进行探测，来实现自主导航。

优选地，所述电子学系统获得的脉冲星的目标特性信息，包含脉冲星的周期、周期导数；所述电子学系统根据脉冲星的目标特性信息及脉冲到达时间进行数据处理和解算，得到包含航天器的位置、速度、姿态、时间的导航信息。

优选地，对于所述脉冲轮廓，所述电子学系统将航天器处测得的脉冲到达时间，转换为脉冲到达太阳系质心的时间，在进行数据处理和解算时使用。

本发明提出的基于龙虾眼的大视场X射线导航敏感器，通过在一个球体上的许多小立方体阵列侧壁的反射来观察物体的，由多个通道的掠入射反射镜构成，结构上的球对称性决定了它没有特定的光轴，任意方向上的聚焦能力都相同，因此具有其它X射线光学系统无法企及的大视场特性，在天文观测、航天器自主导航领域具有广阔的应用前景。

本发明提供的导航系统及自主导航方法，与现有技术相比，其优点和有益效果是：

1)可作为独立的导航系统为航天器提供导航服务，减轻对地面测控系统的依赖和成本，为航天器提供丰富的导航信息。

2)可作为现有卫星导航系统的备份，提高导航的安全性和可靠性等。

3)基于龙虾眼大视场的特性，可同时观测多颗脉冲星，有利于长时间高精度自主导航。

附图说明

以下将结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1是龙虾眼光学系统原理图；

图2是太阳系质心坐标系中航天器、脉冲星、地球质心和太阳质心的几何关系的示意图；

图3是龙虾眼X射线光学系统导航原理的示意图；

图4是龙虾眼X射线导航敏感器的示意图。

具体实施方式

本发明提出了一种基于龙虾眼的大视场导航方案，利用龙虾眼光学系统接收脉冲星的辐射信息实现卫星的自主导航，以下将说明该方案所涉及的龙虾眼光学系统原理，脉冲时间转换模型，及龙虾眼X射线导航敏感器。

(1)龙虾眼光学系统原理

入射X射线光源主要有两种类型：一是点光源，它是理想化为质点的向四面八方发出光线的光源；二是平行光源，它是指光束辐射很远而宽度却没有明显增加的光源，如激光和太阳的光源。