一種超深空x射線主動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于航天器自主導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用X射線作為傳輸載體實(shí)現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著未來深空探測(cè)任務(wù)的不斷拓展，探測(cè)目標(biāo)更多，探測(cè)模式更加多樣化，對(duì)航天器導(dǎo)航與通信能力提出了更高的要求，當(dāng)前傳統(tǒng)地面測(cè)控網(wǎng)及微波傳輸鏈路已達(dá)到性能極限，尋求進(jìn)一步提升航天器自主導(dǎo)航能力和空間信息傳輸能力的新型途徑成為未來深空探測(cè)需要解決的關(guān)鍵問題。天基測(cè)控與數(shù)傳是未來深空測(cè)控發(fā)展的一條可行途徑，與地面深空測(cè)控網(wǎng)絡(luò)相比，其具有的基線優(yōu)勢(shì)可獲得更高的空間分辨率，然而，當(dāng)前天基系統(tǒng)發(fā)展的多樣化，航天器平臺(tái)能力各異，如何有效利用天基網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，提出切實(shí)可行的天基測(cè)控與數(shù)傳系統(tǒng)方案是需要解決的關(guān)鍵問題。
[0003]同時(shí)，由于航天器平臺(tái)能力的限制，光頻段相對(duì)于傳統(tǒng)微波有望以較小的體積、重量、功耗等實(shí)現(xiàn)空間遠(yuǎn)距離信息傳輸，尋求可利用的光頻段一直是空間信息傳輸研究的重點(diǎn)。從單光子探測(cè)角度，光子能量越高有助于降低對(duì)探測(cè)器靈敏度的要求;從光束質(zhì)量的角度，由于光的實(shí)際束散角設(shè)計(jì)受到衍射極限角(sin0 = 1.22A/D，其中，Θ為衍射極限角，λ為光波長(zhǎng)，D為光學(xué)天線口徑)約束，相同天線口徑條件下，波長(zhǎng)越短其衍射極限角越小，單位面積能量更集中，更有利于遠(yuǎn)距離傳輸;同時(shí)，頻率越高，意味著可獲得傳輸帶寬越大，可實(shí)現(xiàn)高速率信息傳輸;X射線具有光子能量大(比于傳統(tǒng)紅外激光高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上)，真空中傳播無(wú)衰減，波長(zhǎng)極短，無(wú)色散等特性，美國(guó)NASA戈達(dá)德空間飛行中心于2007年就提出了利用X射線作為載體實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)母拍?，并完成了地面話音傳輸試?yàn);NASA的SEXTANT項(xiàng)目計(jì)劃于2016年在國(guó)際空間站開展空間環(huán)境下X射線信息傳輸技術(shù)驗(yàn)證。X射線在深空中的潛在優(yōu)勢(shì)使其有可能成為未來空間信息傳輸領(lǐng)域的革命性技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決問題是:針對(duì)未來自主導(dǎo)航與信息傳輸需求，克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提出了一種超深空航天器自主導(dǎo)航方法，以X射線為傳輸載體，通過導(dǎo)航衛(wèi)星星座實(shí)現(xiàn)對(duì)深空航天器軌道的覆蓋，解決微波鏈路傳輸容量有限、傳統(tǒng)地面測(cè)控覆蓋有限，單獨(dú)發(fā)射天基測(cè)控衛(wèi)星費(fèi)用大等問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0006]—種超深空X射線主動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，包括:X射線信號(hào)發(fā)生器、發(fā)射二維指向機(jī)構(gòu)、X射線信號(hào)接收處理系統(tǒng)和接收二維指向機(jī)構(gòu)；其中，X射線信號(hào)接收處理系統(tǒng)包括X射線接收器和數(shù)據(jù)處理模塊；
[0007]X射線信號(hào)發(fā)生器和發(fā)射二維指向機(jī)構(gòu)安裝在導(dǎo)航衛(wèi)星上，X射線信號(hào)接收處理系統(tǒng)和接收二維指向機(jī)構(gòu)安裝在超深空航天器上;X射線信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生X射線脈沖光子信號(hào)，X射線接收器接收所述X射線脈沖光子信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并送入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊估計(jì)X射線脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間，計(jì)算出導(dǎo)航衛(wèi)星和超深空航天器的相對(duì)距離，解算出超深空航天器的位置、速度、時(shí)間與姿態(tài)信息;發(fā)射二維指向機(jī)構(gòu)和接收二維指向機(jī)構(gòu)用于調(diào)整X射線信號(hào)發(fā)生器和X射線信號(hào)接收器的指向，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星端和超深空航天器端的對(duì)準(zhǔn)。
[0008]所述超深空是指火星以遠(yuǎn)的宇宙空間。
[0009]所述X射線信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生周期為μ8級(jí)的調(diào)制X射線脈沖光子信號(hào)，包括調(diào)制模塊、X射線源和光學(xué)系統(tǒng);調(diào)制模塊采用開關(guān)鍵控調(diào)制方式，產(chǎn)生周期性的調(diào)制脈沖電信號(hào)，X射線源根據(jù)所述調(diào)制脈沖電信號(hào)，產(chǎn)生X射線脈沖光信號(hào)，光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡將所述X射線脈沖光信號(hào)進(jìn)行聚束，產(chǎn)生平行的X射線脈沖光信號(hào)并發(fā)射出去;所述X射線脈沖光信號(hào)為I?15keV的軟X射線。
[0010]所述光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡的表面粗糙度為nm級(jí)。
[0011]所述X射線接收器包括光學(xué)天線、X射線探測(cè)器和星載原子鐘；光學(xué)天線接收外部輸入的X射線脈沖光信號(hào)，X射線探測(cè)器對(duì)單個(gè)X射線光子響應(yīng)，并輸出相應(yīng)電信號(hào)，X射線探測(cè)器的時(shí)鐘信號(hào)由星載原子鐘提供;X射線探測(cè)器為光子計(jì)數(shù)探測(cè)器或者光子能量探測(cè)器。
[0012]所述光學(xué)天線為聚焦型光學(xué)天線或者準(zhǔn)直型光學(xué)天線。
[0013]所述數(shù)據(jù)處理模塊包括脈沖到達(dá)時(shí)間估計(jì)模塊和導(dǎo)航參數(shù)估計(jì)模塊;脈沖到達(dá)時(shí)間估計(jì)模塊根據(jù)X射線探測(cè)器輸出的電信號(hào)，輸出脈沖到達(dá)時(shí)間給導(dǎo)航參數(shù)估計(jì)模塊，導(dǎo)航參數(shù)估計(jì)模塊根據(jù)所述輸出脈沖到達(dá)時(shí)間，獲得導(dǎo)航衛(wèi)星和超深空航天器之間的相對(duì)距離，然后聯(lián)合解算四顆導(dǎo)航衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)超深空航天器自身位置、速度、時(shí)間及姿態(tài)的估計(jì)。
[0014]當(dāng)X射線探測(cè)器采用光子計(jì)數(shù)探測(cè)器時(shí)，探測(cè)器輸出電信號(hào)為單個(gè)光子到達(dá)時(shí)間t，通過觀測(cè)一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)不同光子的到達(dá)時(shí)間，，將一個(gè)周期時(shí)間劃分為多個(gè)時(shí)間段進(jìn)行光子數(shù)累計(jì)，通過判決累計(jì)光子數(shù)最多的時(shí)間段即為脈沖到達(dá)時(shí)間。
[0015]當(dāng)X射線探測(cè)器采用光子能量探測(cè)器時(shí)，將探測(cè)器輸出電信號(hào)在一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)進(jìn)行積分，進(jìn)而與X射線探測(cè)器的本地模板脈沖波形信號(hào)相關(guān)解算出脈沖到達(dá)時(shí)間。
[0016]所述發(fā)射二維指向機(jī)構(gòu)令X射線信號(hào)發(fā)生器水平回轉(zhuǎn)-180°?+180°，俯仰回轉(zhuǎn)-90°?+90°，接收二維指向機(jī)構(gòu)令X射線信號(hào)接收器水平回轉(zhuǎn)-180°?+180°，俯仰回轉(zhuǎn)-90°?+90° ο
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比帶來的有益效果為:
[0018]本發(fā)明提出的一種超深空X射線主動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)利用X射線光子具有的光子能量大、自由空間傳輸衰減小、無(wú)色散以及不易被截獲等特性，可實(shí)現(xiàn)超深空遠(yuǎn)距離高可靠信息傳輸;通過將X射線源安裝在全球組網(wǎng)的導(dǎo)航衛(wèi)星星座上，超深空航天器通過聯(lián)合觀測(cè)4顆導(dǎo)航衛(wèi)星的X射線脈沖光信號(hào)，自行解算出位置、速度、時(shí)間與姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，其光脈沖到達(dá)時(shí)間解算方法簡(jiǎn)單，利于工程實(shí)現(xiàn)，該方法拓展了導(dǎo)航衛(wèi)星星座應(yīng)用模式，能夠解決未來深空探測(cè)面臨的航天器自主導(dǎo)航與高可靠數(shù)據(jù)傳輸問題。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)不意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的不同光脈沖信號(hào)示意圖；[0021 ]圖3為本發(fā)明信號(hào)發(fā)生器中光學(xué)系統(tǒng)X射線聚束原理圖；
[0022]圖4為本發(fā)明X射線接收器原理框圖；
[0023]圖5為本發(fā)明X射線接收器的準(zhǔn)直型光學(xué)天線基本原理圖；
[0024]圖6為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理模塊原理圖；
[0025]圖7為本發(fā)明數(shù)據(jù)處理模塊中航天器位置估計(jì)基本原理圖；
[0026]圖8為本發(fā)明導(dǎo)航星座應(yīng)用示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]本發(fā)明利用導(dǎo)航衛(wèi)星全球組網(wǎng)的特點(diǎn)，將X射線光子傳輸優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于超深空航天器測(cè)距定位導(dǎo)航領(lǐng)域，提出了一種新型光頻段空間信息傳輸方法，通過分別安裝在導(dǎo)航衛(wèi)星與超深空航天器上的小型化X射線收發(fā)設(shè)備實(shí)現(xiàn)空間測(cè)距定位信息的遠(yuǎn)距離傳輸，解決了超深空航天器自主導(dǎo)航需求。
[0028]本發(fā)明提出了一種超深空X射線主動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)，包括:X射線信號(hào)發(fā)生器、發(fā)射二維指向機(jī)構(gòu)、X射線信號(hào)接收處理系統(tǒng)和接收二維指向機(jī)構(gòu)。具體實(shí)施如下:
[0029]如圖1所示，X射線信號(hào)發(fā)生器和發(fā)射二維指向機(jī)構(gòu)安裝在導(dǎo)航衛(wèi)星上，X射線信號(hào)接收處理系統(tǒng)和接收二維指向機(jī)構(gòu)安裝在超深空航天器上;X射線信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生X射線脈沖光子信號(hào)，X射線接收器接收所述X射線脈沖光子信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并送入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊估計(jì)X射線脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)間，計(jì)算出導(dǎo)航衛(wèi)星和超深空航天器的相對(duì)距離，解算出超深空航天器的位置、速度、時(shí)間與姿態(tài)信息；發(fā)射二維指向機(jī)構(gòu)和接收二維指向機(jī)構(gòu)用于調(diào)整X射線信號(hào)發(fā)生器和X射線信號(hào)接收器的指向，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星端和超深空航天器端的對(duì)準(zhǔn)。
[0030]X射線信號(hào)發(fā)生器安裝在導(dǎo)航衛(wèi)星上，產(chǎn)生周期為μ8級(jí)的調(diào)制X射線脈沖光子信號(hào)，包括調(diào)制模塊、X射線源和光學(xué)系統(tǒng);調(diào)制模塊采用開關(guān)鍵控調(diào)制方式，產(chǎn)生周期性的調(diào)制脈沖電信號(hào)，X射線源根據(jù)所述調(diào)制脈沖電信號(hào)，產(chǎn)生X射線脈沖光信號(hào)，光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡將所述X射線脈沖光信號(hào)進(jìn)行聚束，產(chǎn)生平行的X射線脈沖光信號(hào)并發(fā)射出去;所述X射線脈沖光信號(hào)為I?15keV的軟X射線。具體描述如下:
[0031]安裝在不同導(dǎo)航衛(wèi)星上X射線源產(chǎn)生的脈沖光信號(hào)周期相同，脈寬不同，圖2為不同光脈沖信號(hào)示意圖，如四顆導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射脈沖光信號(hào)周期均為lys，脈寬可分別設(shè)置為I/8，1/4，1/2，lys，用于超深空航天器通過對(duì)同一周期內(nèi)不同脈沖到達(dá)時(shí)間估計(jì)區(qū)分來自不同導(dǎo)航衛(wèi)星的信息。
[0032]圖3為X射線聚束基本原理，由電磁波傳播理論，由于X射線在介質(zhì)內(nèi)部隨傳播距離呈負(fù)指數(shù)衰減，且X射線在介質(zhì)中的吸收系數(shù)比較大，因此基于折射方式的聚焦原理不再適用于X射線，同時(shí)，由于X射線全反射的臨界角非常小，只能以掠入射的方式改變其入射方向。因此，將入射的X射線光子在超光滑鏡面上發(fā)生全發(fā)射改變發(fā)射方向，通過增加反射鏡面的數(shù)量使得從X射線源發(fā)散的X射線光子匯集為平面波實(shí)現(xiàn)X射線的聚束。聚束的效率主要取決于X射線光子的掠入射角度和鏡面的反射率，同時(shí)與X射線光子能量以及反射鏡膜層物理參數(shù)有關(guān)。本發(fā)明中針對(duì)軟X射線聚束的光學(xué)系統(tǒng)反射鏡