ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA >
Orbit determination analysis using Crab observation data of GECAM mission
Received date: 2021-11-09
Revised date: 2021-12-04
Accepted date: 2022-04-08
Online published: 2022-04-24
Supported by
Strategic Priority Program on Space Science, the Chinese Academy of Sciences(XDA15360300);National Natural Science Foundation of China(U1838101)
Huairou-I， the Gravitational Wave High-Energy Electromagnetic Counterpart All-Sky Monitor （GECAM） satellite， is used to monitor various types of Gravitational Wave Bursts （GWBs）， Fast Radio Bursts （FRBs）， and Gamma-Ray Bursts （GRBs）. Thanks to the novel design using silicon photoelectric multipliers instead of traditional devices in the GRD detector and electronics， GECAM features a high time resolution （0.1 μs）， time accuracy （~ 3 μs）， and wide field of view， and reduces the weight greatly. In this work， we report our results of testing pulsar navigation with GECAM observations. The Significance Enhancement of Pulse-profile with Orbit-dynamics （SEPO） algorithm combines orbit dynamics and pulsar profile analysis for the first time in China， which has been used in the POLAR and Insight-HXMT Satellite. With 40 days observations of the Crab pulsar， the GECAM-B orbit is determined successfully. The parameter values of the orbital elements are solved and the errors are estimated by the bootstrap method. The errors with 99.7% confidence are semi-major axis error of 5.85 m， eccentricity error of 0.000 121， inclination error of 0.013 1°， RAAN error of 0.165°， error for argument of perigee of 0.216°， and mean anomaly error of 0.217°. The experiment proves that the small satellites used for gamma-ray burst monitoring can be also used to determine the orbit by the pulsar， which provides a new idea for pulsar orbit determination and navigation in the future.
Key words： Huairou-I; Crab; pulsar navigation; X-ray; orbital dynamics
Dawei HAN , Shijie ZHENG , Youli TUO , Mingyu GE , Liming SONG , Xinqiao LI , Xiangyang WEN , Shaolin XIONG . Orbit determination analysis using Crab observation data of GECAM mission[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023 , 44(3) : 526641 -526641 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2021.26641
| 1 | TAYLOR J H. Millisecond pulsars： Nature’s most stable clocks［J］. Proceedings of the IEEE， 1991， 79（7）： 1054-1062. |
| 2 | HEWISH A， BELL S J， PILKINGTON J D H， et al. Observation of a rapidly pulsating radio source［J］. Nature， 1968， 217（5130）： 709-713. |
| 3 | DOWNS G. Interplanetary navigation using pulsating radio sources： N74-3415032-1594［R］. Washington， D.C.： NASA， 1974. |
| 4 | CHESTER T J， BUTMAN S A. Navigation using X-ray pulsars［J］. Telecommunications and Data Acquisition Progress Report， 1981， 63： 22-25. |
| 5 | WOOD K S. Navigation studies utilizing the NRL-801 experiment and the ARGOS satellite［C］∥ Proceedings of SPIE 1940， Small Satellite Technology and Applications III， Optical Engineering and Photonics in Aerospace Sensing. Orlando： Society of Photo Optical， 1993： 105-116. |
| 6 | SHEIKH S. The use of variable celestial X-ray sources for spacecraft navigation［D］. City of College Park： University of Maryland， 2005. |
| 7 | BECKER W， BERNHARDT M G， JESSNER A. Autonomous spacecraft navigation with pulsars［J］. Acta Futura， 2013， 7： 11-28. |
| 8 | Mitchell J W. Sextant X-ray pulsar navigation demonstration： Initial on-orbit results［C］∥ Annual American Astronautical Society （AAS） Guidance and Control Conference 2018. San Diego： AAS， 2018： GSFCE-DAA-TN 51842. |
| 9 | 周庆勇， 刘思伟， 郝晓龙， 等. 空间X射线观测确定脉冲星星历表参数精度分析［J］. 物理学报， 2016， 65（7）： 368-377. |
| ZHOU Q Y， LIU S W， HAO X L， et al. Analysis of measurement accuracy of ephemeris parameters for pulsar navigation based on the X-ray space observation［J］. Acta Physica Sinica， 2016， 65（7）： 368-377 （in Chinese）. | |
| 10 | 郑伟， 王奕迪， 汤国建. X射线脉冲星导航理论与应用［M］. 北京： 科学出版社， 2015： 8-9. |
| ZHENG W， WANG Y D， TANG G J. X-ray pulsar-based navigation： Theory and applications［M］. Beijing： Science Press， 2015： 8-9 （in Chinese）. | |
| 11 | 郑世界， 葛明玉， 韩大炜， 等. 基于天宫二号POLAR的脉冲星导航实验［J］. 中国科学： 物理学 力学 天文学， 2017， 47（9）： 120-128. |
| ZHENG S J， GE M Y， HAN D W， et al. Test of pulsar navigation with POLAR on TG-2 space station［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica ＆ Astronomica）， 2017， 47（9）： 120-128 （in Chinese）. | |
| 12 | 左富昌， 梅志武， 邓楼楼， 等. 多层嵌套掠入射光学系统研制及在轨性能评价［J］. 物理学报， 2020， 69（3）： 030702. |
| ZUO F C， MEI Z W， DENG L L， et al. Development and in-orbit performance evaluation of multi-layered nested grazing incidence optics［J］. Acta Physica Sinica， 2020， 69（3）： 030702 （in Chinese）. | |
| 13 | 李连升， 梅志武， 邓楼楼， 等. 掠入射聚焦型X射线脉冲星望远镜装配误差分析与在轨验证［J］. 机械工程学报， 2018， 54（11）： 49-60. |
| LI L S， MEI Z W， DENG L L， et al. Assembly error analysis and in-orbit verification of grazing incidence focusing X-ray pulsar telescope［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2018， 54（11）： 49-60 （in Chinese）. | |
| 14 | HUANG L W， SHUAI P， ZHANG X Y， et al. Pulsar-based navigation results： Data processing of the X-ray pulsar navigation-I telescope［J］. Journal of Astronomical Telescopes， Instruments， and Systems， 2019， 5： 018003. |
| 15 | ZHENG S J， ZHANG S N. LU F J.et al. In-orbit demonstration of X-ray pulsar navigation with the insight-HXMT satellite［J］. The Astrophysical Journal Supplement Series， 2019， 244： 1. |
| 16 | 熊少林， 张科科， 李超， 等. “引力波暴高能电磁对应体全天监测器”卫星任务概况［J］. 国际太空， 2019（12）： 22-25. |
| XIONG S L， ZHANG K K， LI C， et al. Gravitational wave high-energy electromagnetic counterpart all-sky monitor satellite mission overview［J］. Space International， 2019（12）： 22-25 （in Chinese）. | |
| 17 | 李新乔， 文向阳， 安正华， 等. GECAM卫星有效载荷介绍［J］. 中国科学： 物理学 力学 天文学， 2020， 50（12）： 84-100. |
| LI X Q， WEN X Y， AN Z H， et al. The GECAM and its payload［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica ＆ Astronomica）， 2020， 50（12）： 84-100 （in Chinese）. | |
| 18 | 郭东亚， 彭文溪， 朱玥， 等. GECAM能量响应及在轨本底模拟［J］. 中国科学： 物理学 力学 天文学， 2020， 50（12）： 101-109. |
| GUO D Y， PENG W X， ZHU Y， et al. Energy response and in-flight background simulation for GECAM［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica ＆ Astronomica）， 2020， 50（12）： 101-109 （in Chinese）. | |
| 19 | XIAO S， XIONG S L， CAI C， et al. Energetic transients joint analysis system for multi-INstrument （ETJASMIN） for GECAM—I. Positional， temporal， and spectral analyses［J］. MNRAS， 2022， 514： 2397-2406. |
| 20 | 熊凯， 魏春岭， 刘良栋. 基于脉冲星的空间飞行器自主导航技术研究［J］. 航天控制， 2007， 25（4）： 36-40， 45. |
| XIONG K， WEI C L， LIU L D. Research on the spacecraft autonomous navigation using pulsars［J］. Aerospace Control， 2007， 25（4）： 36-40， 45 （in Chinese）. | |
| 21 | 王奕迪， 郑伟， 安雪滢， 等. 基于改进动静态滤波的脉冲星/CNS深空探测组合导航方法［J］. 中国空间科学技术， 2013， 33（5）： 22-28. |
| WANG Y D， ZHENG W， AN X Y， et al. Pulsar/CNS integrated navigation method based on improved kinematic and static filter for deep space explorer［J］. Chinese Space Science and Technology， 2013， 33（5）： 22-28 （in Chinese）. | |
| 22 | Sheikh S I， Golshan A R， Pines D J. Absolute and relative position determination using variable celestial X-ray sources［C］∥ Proceedings of 30th Annual AAS Rocky Mountain Guidance and Control Conference. San Diego： AAS， 2007： 855. |
/
| 〈 |
|
〉 |
CJA