基于非对称空间外差干涉仪的多普勒测速技术研究
发布时间：2021-01-10 22:30
随着航天技术的发展,越来越多的航天器被送入深空轨道。为了降低地面支持成本,提高航天器自主运行、管理和在轨生存能力,深空探测器必须能够自主导航和自我控制。基于速度测量的自主天文导航方法能够直接测量速度信息,有效避免了微积分对速度参量计算的影响,在深空探测自主导航领域具有广阔的应用前景。被动径向速度测量技术中,多普勒非对称空间外差（Doppler Asymmetri Spatial Heterodyne,DASH）光谱技术具有结构紧凑坚固、光通量大、允许多谱线同时测量等优点,能够利用天体光谱线静态测量恒星和深空探测器之间的径向速度,非常适合用于深空探测自主天文导航。深空探测器与恒星之间存在径向运动时,DASH干涉仪接收的恒星光谱线发生频移,从而导致干涉仪干涉条纹产生相移,通过测量该相移可以反算恒星与深空探测器之间的径向速度。本文围绕DASH光谱技术高精度径向速度测量问题,研究了探测器噪声、环境温度变化等对DASH径向速度测量精度的影响,给出了最大相移灵敏度对应的最优光程差,通过理论推导将吸收线径向速度求解问题转化为了发射线径向速度求解问题,为DASH光谱技术应用于针对吸收线的径向速度测量提...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于角度测量的自主天文导航原理
1.2.2 基于距离测量的自主天文导航基于距离测量的自主天文导航[36]是以X射线脉冲星发出的脉冲分别到达深空探测器和太阳系质心的时间差为探测量,结合航天器轨道动力学模型解算深空探测器的三维位置,如图1.2所示。构造的X射线脉冲星导航测量方程包含4个变量:3个位置坐标和1个时钟偏差。所以至少需要同时探测4颗脉冲星,才能实现航天器基于距离测量的自主天文导航。
脉冲星是大质量的恒星演化、坍缩、超新星爆发后的遗迹,具有超高温、超大密度、超强电磁场等特性。脉冲星的半径一般在10km左右,质量与太阳质量相当,密度约为1012kg/cm3量级。如图1.3所示,作为一种高速自转的中子星,脉冲星的自转周期极其稳定,自转周期变化率在10-19量级,自转轴与磁极轴不重合,而是成一定角度,且两个磁极各有一束辐射波数。脉冲星辐射信号的频段宽,覆盖射电到X、γ射线等,其中辐射信号在X射线频段上的脉冲星就叫做X射线脉冲星。X射线聚集了脉冲星辐射的绝大部分能量,所以很容易被小型化设备所探测。又因为X射线波长较短,不能穿过地球大气层,所以只能在大气层外的太空对X射线脉冲星进行观测。早在1934年,天文学家Walter Baade(德国)和Fritz Zwicky(瑞士)就预言了中子星的存在[37]。1964年,德国天文学家Lodewijk Woltjer提出中子星具有超强磁场[38]。1967年,意大利的天文学家Franco Pacini又提出:具有超强磁场的高速自转的中子星会向外界辐射能量[39]。同年11月,英国剑桥大学的A.Hewish教授和其学生S.J.Bell博士在进行行星际的闪烁观测研究时发现了第一颗脉冲周期间隔为1.3373s的射电脉冲星[40]。直至1976年,脉冲星的X射线辐射信号才被美国的天文观测卫星Ariel-5首次观测到。
【参考文献】：
期刊论文
[1]节节突破的中国深空探测[J]. 张曼倩. 国际太空. 2019(09)
[2]首颗脉冲星导航试验卫星及其观测结果[J]. 帅平,刘群,黄良伟,张新源,陈绍龙,薛力军,丁强强,邓楼楼,陈建武,胡慧君. 中国惯性技术学报. 2019(03)
[3]中国月球及深空空间环境探测[J]. 王赤,张贤国,徐欣锋,孙越强. 深空探测学报. 2019(02)
[4]嫦娥四号月背软着陆的重大意义[J]. 欧阳自远. 世界科学. 2019(03)
[5]中国首次火星探测任务地面应用系统[J]. 刘建军,苏彦,左维,任鑫,孔德庆,温卫斌,张洪波,李春来. 深空探测学报. 2018(05)
[6]深空探测器自主天文导航技术综述[J]. 房建成,宁晓琳,马辛,刘劲,桂明臻. 飞控与探测. 2018(01)
[7]深空探测天文测角测速组合自主导航方法[J]. 张伟. 飞控与探测. 2018(01)
[8]Crab脉冲星X射线计时观测数据处理与分析[J]. 杨廷高,童明雷,赵成仕,高玉平. 天文学报. 2018(02)
[9]Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817[J]. TiPei Li,ShaoLin Xiong,ShuangNan Zhang,FangJun Lu,LiMing Song,XueLei Cao,Zhi Chang,Gang Chen,Li Chen,TianXiang Chen,Yong Chen,YiBao Chen,YuPeng Chen,Wei Cui,WeiWei Cui,JingKang Deng,YongWei Dong,YuanYuan Du,MinXue Fu,GuanHua Gao,He Gao,Min Gao,MingYu Ge,YuDong Gu,Ju Guan,ChengCheng Guo,DaWei Han,Wei Hu,Yue Huang,Jia Huo,ShuMei Jia,LuHua Jiang,WeiChun Jiang,Jing Jin,YongJie Jin,Bing Li,ChengKui Li,Gang Li,MaoShun Li,Wei Li,Xian Li,XiaoBo Li,XuFang Li,YanGuo Li,ZiJian Li,ZhengWei Li,XiaoHua Liang,JinYuan Liao,CongZhan Liu,GuoQing Liu,HongWei Liu,ShaoZhen Liu,XiaoJing Liu,Yuan Liu,YiNong Liu,Bo Lu,XueFeng Lu,Tao Luo,Xiang Ma,Bin Meng,Yi Nang,JianYin Nie,Ge Ou,JinLu Qu,Na Sai,Liang Sun,Yin Tan,Lian Tao,WenHui Tao,YouLi Tuo,GuoFeng Wang,HuanYu Wang,Juan Wang,WenShuai Wang,YuSa Wang,XiangYang Wen,BoBing Wu,Mei Wu,GuangCheng Xiao,He Xu,YuPeng Xu,LinLi Yan,JiaWei Yang,Sheng Yang,YanJi Yang,AiMei Zhang,ChunLei Zhang,ChengMo Zhang,Fan Zhang,HongMei Zhang,Juan Zhang,Qiang Zhang,Shu Zhang,Tong Zhang,Wei Zhang,WanChang Zhang,WenZhao Zhang,Yi Zhang,Yue Zhang,YiFei Zhang,YongJie Zhang,Zhao Zhang,ZiLiang Zhang,HaiSheng Zhao,JianLing Zhao,XiaoFan Zhao,ShiJie Zheng,Yue Zhu,YuXuan Zhu,ChangLin Zou. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(03)
[10]中国首次火星探测工程有效载荷总体设计[J]. 朱岩,白云飞,王连国,沈卫华,张宝明,王蔚,周盛雨,杜庆国,陈春红. 深空探测学报. 2017(06)
博士论文
[1]LAMOST巡天光谱数据处理技术与分析应用[D]. 陈淑鑫.哈尔滨工程大学 2019
[2]中高层大气风场探测多普勒非对称空间外差技术研究[D]. 沈静.中国科学技术大学 2017
[3]大孔径空间外差干涉光谱成像技术研究[D]. 才啟胜.中国科学技术大学 2016
[4]中高层大气风场探测F-P干涉仪的数据反演算法与定标方法研究[D]. 石大莲.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2015
[5]傅里叶变换红外光谱仪若干核心技术研究及其应用[D]. 杨琨.武汉大学 2010
[6]傅里叶变换光谱成像仪数据处理技术研究[D]. 黄旻.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2010
[7]干涉法大气风场探测技术研究[D]. 汪丽.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2007
硕士论文
[1]基于并行平台的LAMOST发射线恒星光谱的数据挖掘[D]. 葛国周.山东大学 2016
[2]星载测风双视场准共路多普勒外差干涉仪基础问题研究[D]. 费小云.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2015
[3]空间外差超光谱技术研究[D]. 史今赛.南京理工大学 2015
[4]捷联惯导算法和组合导航滤波的精细积分方法研究[D]. 项凤涛.国防科学技术大学 2010
[5]天文用Fabry-Perot滤光器的特性研究[D]. 常亮.中国科学院研究生院（云南天文台） 2007
本文编号：2969535
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)四川省
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于角度测量的自主天文导航原理
1.2.2 基于距离测量的自主天文导航基于距离测量的自主天文导航[36]是以X射线脉冲星发出的脉冲分别到达深空探测器和太阳系质心的时间差为探测量,结合航天器轨道动力学模型解算深空探测器的三维位置,如图1.2所示。构造的X射线脉冲星导航测量方程包含4个变量:3个位置坐标和1个时钟偏差。所以至少需要同时探测4颗脉冲星,才能实现航天器基于距离测量的自主天文导航。
脉冲星是大质量的恒星演化、坍缩、超新星爆发后的遗迹,具有超高温、超大密度、超强电磁场等特性。脉冲星的半径一般在10km左右,质量与太阳质量相当,密度约为1012kg/cm3量级。如图1.3所示,作为一种高速自转的中子星,脉冲星的自转周期极其稳定,自转周期变化率在10-19量级,自转轴与磁极轴不重合,而是成一定角度,且两个磁极各有一束辐射波数。脉冲星辐射信号的频段宽,覆盖射电到X、γ射线等,其中辐射信号在X射线频段上的脉冲星就叫做X射线脉冲星。X射线聚集了脉冲星辐射的绝大部分能量,所以很容易被小型化设备所探测。又因为X射线波长较短,不能穿过地球大气层,所以只能在大气层外的太空对X射线脉冲星进行观测。早在1934年,天文学家Walter Baade(德国)和Fritz Zwicky(瑞士)就预言了中子星的存在[37]。1964年,德国天文学家Lodewijk Woltjer提出中子星具有超强磁场[38]。1967年,意大利的天文学家Franco Pacini又提出:具有超强磁场的高速自转的中子星会向外界辐射能量[39]。同年11月,英国剑桥大学的A.Hewish教授和其学生S.J.Bell博士在进行行星际的闪烁观测研究时发现了第一颗脉冲周期间隔为1.3373s的射电脉冲星[40]。直至1976年,脉冲星的X射线辐射信号才被美国的天文观测卫星Ariel-5首次观测到。
【参考文献】：
期刊论文
[1]节节突破的中国深空探测[J]. 张曼倩. 国际太空. 2019(09)
[2]首颗脉冲星导航试验卫星及其观测结果[J]. 帅平,刘群,黄良伟,张新源,陈绍龙,薛力军,丁强强,邓楼楼,陈建武,胡慧君. 中国惯性技术学报. 2019(03)
[3]中国月球及深空空间环境探测[J]. 王赤,张贤国,徐欣锋,孙越强. 深空探测学报. 2019(02)
[4]嫦娥四号月背软着陆的重大意义[J]. 欧阳自远. 世界科学. 2019(03)
[5]中国首次火星探测任务地面应用系统[J]. 刘建军,苏彦,左维,任鑫,孔德庆,温卫斌,张洪波,李春来. 深空探测学报. 2018(05)
[6]深空探测器自主天文导航技术综述[J]. 房建成,宁晓琳,马辛,刘劲,桂明臻. 飞控与探测. 2018(01)
[7]深空探测天文测角测速组合自主导航方法[J]. 张伟. 飞控与探测. 2018(01)
[8]Crab脉冲星X射线计时观测数据处理与分析[J]. 杨廷高,童明雷,赵成仕,高玉平. 天文学报. 2018(02)
[9]Insight-HXMT observations of the first binary neutron star merger GW170817[J]. TiPei Li,ShaoLin Xiong,ShuangNan Zhang,FangJun Lu,LiMing Song,XueLei Cao,Zhi Chang,Gang Chen,Li Chen,TianXiang Chen,Yong Chen,YiBao Chen,YuPeng Chen,Wei Cui,WeiWei Cui,JingKang Deng,YongWei Dong,YuanYuan Du,MinXue Fu,GuanHua Gao,He Gao,Min Gao,MingYu Ge,YuDong Gu,Ju Guan,ChengCheng Guo,DaWei Han,Wei Hu,Yue Huang,Jia Huo,ShuMei Jia,LuHua Jiang,WeiChun Jiang,Jing Jin,YongJie Jin,Bing Li,ChengKui Li,Gang Li,MaoShun Li,Wei Li,Xian Li,XiaoBo Li,XuFang Li,YanGuo Li,ZiJian Li,ZhengWei Li,XiaoHua Liang,JinYuan Liao,CongZhan Liu,GuoQing Liu,HongWei Liu,ShaoZhen Liu,XiaoJing Liu,Yuan Liu,YiNong Liu,Bo Lu,XueFeng Lu,Tao Luo,Xiang Ma,Bin Meng,Yi Nang,JianYin Nie,Ge Ou,JinLu Qu,Na Sai,Liang Sun,Yin Tan,Lian Tao,WenHui Tao,YouLi Tuo,GuoFeng Wang,HuanYu Wang,Juan Wang,WenShuai Wang,YuSa Wang,XiangYang Wen,BoBing Wu,Mei Wu,GuangCheng Xiao,He Xu,YuPeng Xu,LinLi Yan,JiaWei Yang,Sheng Yang,YanJi Yang,AiMei Zhang,ChunLei Zhang,ChengMo Zhang,Fan Zhang,HongMei Zhang,Juan Zhang,Qiang Zhang,Shu Zhang,Tong Zhang,Wei Zhang,WanChang Zhang,WenZhao Zhang,Yi Zhang,Yue Zhang,YiFei Zhang,YongJie Zhang,Zhao Zhang,ZiLiang Zhang,HaiSheng Zhao,JianLing Zhao,XiaoFan Zhao,ShiJie Zheng,Yue Zhu,YuXuan Zhu,ChangLin Zou. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2018(03)
[10]中国首次火星探测工程有效载荷总体设计[J]. 朱岩,白云飞,王连国,沈卫华,张宝明,王蔚,周盛雨,杜庆国,陈春红. 深空探测学报. 2017(06)
博士论文
[1]LAMOST巡天光谱数据处理技术与分析应用[D]. 陈淑鑫.哈尔滨工程大学 2019
[2]中高层大气风场探测多普勒非对称空间外差技术研究[D]. 沈静.中国科学技术大学 2017
[3]大孔径空间外差干涉光谱成像技术研究[D]. 才啟胜.中国科学技术大学 2016
[4]中高层大气风场探测F-P干涉仪的数据反演算法与定标方法研究[D]. 石大莲.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2015
[5]傅里叶变换红外光谱仪若干核心技术研究及其应用[D]. 杨琨.武汉大学 2010
[6]傅里叶变换光谱成像仪数据处理技术研究[D]. 黄旻.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2010
[7]干涉法大气风场探测技术研究[D]. 汪丽.中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所） 2007
硕士论文
[1]基于并行平台的LAMOST发射线恒星光谱的数据挖掘[D]. 葛国周.山东大学 2016
[2]星载测风双视场准共路多普勒外差干涉仪基础问题研究[D]. 费小云.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2015
[3]空间外差超光谱技术研究[D]. 史今赛.南京理工大学 2015
[4]捷联惯导算法和组合导航滤波的精细积分方法研究[D]. 项凤涛.国防科学技术大学 2010
[5]天文用Fabry-Perot滤光器的特性研究[D]. 常亮.中国科学院研究生院（云南天文台） 2007
本文编号：2969535
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