导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26580

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导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题

赵成仕¹(), 高玉平¹^,², 童明雷¹, 朱幸芝¹, 罗近涛¹

^1.中国科学院国家授时中心，西安 710600
^2.中国科学院大学，北京 100049

收稿日期:2021-10-28 修回日期:2021-12-23 接受日期:2022-03-15 出版日期:2023-02-15 发布日期:2022-03-22
通讯作者: 赵成仕 E-mail:zhaocs@ntsc.ac.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11873050);科技部SKA专项(2020SKA0120103);中国科学院“西部青年学者”(XAB2021YN27)

Unity of pulsar-based ephemeris time-space reference systems for navigation

Chengshi ZHAO¹(), Yuping GAO¹^,², Minglei TONG¹, Xingzhi ZHU¹, Jintao LUO¹

^1.National Time Service Center，Chinese Academy of Sciences，Xi’an 710600，China
^2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2021-10-28 Revised:2021-12-23 Accepted:2022-03-15 Online:2023-02-15 Published:2022-03-22
Contact: Chengshi ZHAO E-mail:zhaocs@ntsc.ac.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11873050);National SKA Program of China(2020SKA0120103);Young Scholars Western China(XAB2021YN27)

摘要/Abstract

摘要：

脉冲星具有很高自转稳定性，利用一组统一参考系统下的脉冲星星历表所构建的高精度时空基准，可对飞行器进行自主导航。目前国内尚未观测给出统一参考下的导航脉冲星星历表，国际上已发布的导航脉冲星星历表是在不同参考系统下建立的，无法直接用于构建时空基准，将影响我国近期开展空间脉冲星导航试验。针对没有原始计时观测数据的情况，提出通过模拟计时观测数据，拟合获得新参考系统下的星历表，实现一组导航脉冲星星历表的参考系统统一。最后分析了基于该方法不同参考下的星历表转换精度，其中，DE200转换为DE436后，脉冲星TOA一年内预报值最大偏差由86.6 μs减小为2.3 μs。TT（TAI）转换为TT（BIPM15）后，TOA一年内预报值最大偏差由0.326 μs减小为0.062 μs。基于TEMPO2中transform插件可实现不同参考坐标时下星历表精准转换，转换误差小于6 ns，可忽略不计。参考系统DE421/TT（TAI）/TDB转化为DE436/TT（BIPM15）/TCB后，TOA一年内的预报最大偏差降低为0.047 μs。

关键词: 脉冲星导航, 脉冲星星历表, 参考系统, 计时残差, 脉冲星计时

Abstract:

Pulsars have remarkable regularity of rotation， and a high-precision time-space reference constructed from a group of pulsars ephemeris with a unified reference system can realize autonomous navigation for aircraft. At present， the navigation pulsar ephemeris under unified reference system have not been given through observation in China， and the internationally published ephemeris with different reference system cannot directly construct a time space reference， which will affects China's recent pulsar navigation experiments. In the absence of original timing observation data， the pulsar ephemeris is fitted with a new reference system by using the simulated timing observation data to realize the unification of the reference system of a group of navigation pulsar ephemeris. Finally， the accuracy of ephemeris conversion based on this method is analyzed. When the ephemeris reference is converted from DE200 to DE436， the maximum deviation of the pulsar TOA prediction within one year is reduced from 86.6 to 2.3 μs， and the TOA prediction values change from 0.326 to 0.062 μs within one year as the reference time is converted from TT （TAI） to TT （BIPM15）. Based on the software transform plug-in in TEMPO2， the ephemeris can be accurately converted under different reference coordinates， and the conversion error is less than 6 ns， which can be ignored. The TOA prediction value is reduced to 0.047 μs within one year as the reference system is converted from DE421/TT（TAI）/TDB to DE436/TT（BIPM15）/TCB.

Key words: pulsar navigation, pulsar ephemeris, reference system, timing residual, pulsar timing

中图分类号:

V448.21

赵成仕, 高玉平, 童明雷, 朱幸芝, 罗近涛. 导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526580-526580.

Chengshi ZHAO, Yuping GAO, Minglei TONG, Xingzhi ZHU, Jintao LUO. Unity of pulsar-based ephemeris time-space reference systems for navigation[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526580-526580.

图/表 16

图 1

图 2

图 3

表 1

图 4

表 2

表 3

图 5

表 4

图 6

表 5

图 7

表 6

图 8

表 7

图9

参考文献 26

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	DE436	DE200	偏差
频率/Hz	173.687 945 737 518 42（4）	173.687 945 737 737 18（9）	2.1×10^-10
频率一阶导数/s^-2	-1.728 374 8（3）×10^-15	-1.728 240 9（6）×10^-15	1.3×10^-19
赤经/（hh：mm：ss）	04：37：15.912 532 7（3）	04：37：15.910 713 4（8）	-0.0018
赤纬/（dd：mm：ss）	-47：15：09.208 59（3）	-47：15：09.206 73（8）	0.0018
赤经自行/（mas.a ^-1）	121.438 8（6）	121.360 6（15）	-0.078
赤纬自行/（mas.a ^-1）	-71.467 6（7）	-71.499 4（16）	-0.032
视差/mas	6.64（6）	8.24（16）	1.6
残差/μs	0.246	0.637	0.391
参考历元MJD	55 000	55 000

参数	TT（BIPM15）	TT（TAI）	偏差
频率/Hz	173.687 945 737 518 42（4）	173.687 945 737 519 04（4）	6.2×10^-13
频率一阶导数/s^-2	-1.728 374 8（3）×10^－15	-1.728 377 6（3）×10^-15	-2.8×10^-21
赤经/（hh：mm：ss）	04：37：15.912 532 7（3）	04：37：15.912 532 8（3）	1.0×10^-7
赤纬/（dd：mm：ss）	-47：15：09.208 59（3）	-47：15：09.208 59（3）	0
赤经自行/（mas.a ^-1）	121.438 8（6）	121.439 8（6）	0.001
赤纬自行/（mas.a ^-1）	-71.467 6（7）	-71.467 1（7）	5.0×10^-4
视差/mas	6.64（6）	6.62（6）	-0.02
残差/μs	0.246	0.247	0.001
参考历元MJD	55 000	55 000	54 500

参数	TCB	TDB	偏差
频率/Hz	173.687 945 737 518 42（4）	173.687 948 430 584 41（4）	2.69×10^-6
频率一阶导数/s^-2	-1.728 374 8（3）×10^-15	-1.728 374 9（3）×10^-15	-1.0×10^-22
赤经/（hh：mm：ss）	04：37：15.912 532 7（3）	04：37：15.912 532 7（3）	0
赤纬/（dd：mm：ss）	-47：15：09.208 59（3）	-47：15：09.208 59（3）	0
赤经自行/（mas.a^-1）	121.438 8（6）	121.438 8（6）	0
赤纬自行/（mas.a^-1）	-71.467 6（7）	-71.467 6（7）	0
视差/mas	6.64（6）	6.64（6）	0
双星模型	T2	T2
双星轨道周期/d	5.741 044 2（6）	5.741 044 2（6）	0
过近星点时间（MJD）	55 316.696 2（6）	55 316.696 0（6）	-2.0×10^-4
投影半长轴/ls	3.366 720 18（10）	3.366 720 12（10）	-6.0×10^-8
近星点经度/（°）	1.43（4）	1.43（4）	0
轨道偏心率	1.918 2（3）×10^-5	1.918 2（3）×10^-5	0
残差/μs	0.246	0.246	0
参考历元MJD	55 000	54 500

参数	数值	与实测值偏差
频率/Hz	173.687 945 737 517 11（16）	-1.3×10^-12
频率一阶导数/s^-2	-1.728 409 5（12）×10^-15	-3.4×10^-20
赤经/（hh：mm：ss）	04：37：15.912 526（6）	-6.7×10^-7
赤纬/（dd：mm：ss）	-47：15：09.208 64（7）	-5.0×10^-5
赤经自行/（mas.a ^-1）	121.444（10）	5.2×10^-3
赤纬自行/（mas.a ^-1）	-71.472（10）	-4.4×10^-3
视差/mas	7.1（14）	0.46

参数	数值	与实测值偏差
频率/Hz	173.687 945 737 518 362（7）	-5.8×10^-12
频率一阶导数/s^-2	-1.728 375 35（5）×10^-15	-5.5×10^-22
赤经/（hh：mm：ss）	04：37：15.912 532 7（3）	0
赤纬/（dd：mm：ss）	-47：15：09.208 59（3）	0
赤经自行/（mas.a^-1）	121.440 0（4）	1.2×10^-3
赤纬自行/（mas.a ^-1）	-71.466 2（4）	1.4×10^-3
视差/（mas）	6.67（6）	0.03

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Unity of pulsar-based ephemeris time-space reference systems for navigation

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参数	参数	与实测值偏差
频率/Hz	173.687 945 737 518 418 8（15）	-1.2×10^-15
频率一阶导数/s^-2	-1.728 374 798（5）×10^-15	2×10^-24
赤经/（hh：mm：ss）	04：37：15.912 532 7（3）	0
赤纬/（dd：mm：ss）	-47：15：09.208 59（3）	0
赤经自行/（mas.a ^-1）	121.438 75（4）	5×10^-5
赤纬自行/（mas.a ^-1）	-71.467 64（4）	-4×10^-5
视差/mas	6.644（6）	4×10^-3
双星模型	T2
双星轨道周期/d	5.741 044 23（4）	3×10^-8
过近星点时间（MJD）	55 316.696 10（5）	-1×10^-4
投影半长轴/ls	3.366 720 175（9）	-5×10^-9
近星点经度/（°）	1.424（4）	-6×10^-3
轨道偏心率	1.918 22（3）×10^-5	2×10^-10
参考历元/MJD	55 000

参数名称	DE436/TT（BIPM15）/ TCB下实测值	DE421/TT（TAI）/ TDB下实测值	偏差	模拟转换为 DE436/TT（BIPM15）/TCB	转换后偏差
频率/Hz	173.687 945 737 518 42（4）	173.687 948 430 585 07（4）	2.7×10^-7	173.687 945 737 517 03（16）	-1.3×10^-12
频率一阶导数/s^-2	-1.728 374 8（3）×10^-15	-1.728 376 4（3）×10^-15	-1.5×10^-21	-1.728 410 1（12）×10^-15	3.5×10^-20
赤经/（hh：mm：ss）	04：37：15.912 532 7（3）	04：37：15.912 502 5（3）	3×10^-5	04：37：15.912 526（6）	-6.7×10^-6
赤纬/（dd：mm：ss）	-47：15：09.208 59（3）	-47：15：09.208 53（3）	-6×10^-5	-47：15：09.208 63（7）	-4×10^-5
赤经自行/（mas.a ^-1）	121.438 8（6）	121.437 0（6）	-1.8×10^-3	121.446（10）	7.2×10^-3
赤纬自行/（mas.a^-1）	-71.467 6（7）	-71.468 9（6）	-1.3×10^-3	-71.471（10）	-3.4×10^-3
视差/mas	6.64（6）	6.57（6）	-0.07	7.1（14）	0.46

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