Принципы космической навигации по пульсарам

А. Е. Родин, В. В. Орешко, В. А. Потапов

Труды ИПА РАН, вып. 52, 46–50 (2020)

DOI: 10.32876/ApplAstron.52.46-50

Ключевые слова: пульсарная шкала времени, тайминг пульсаров, космическая навигация

Аннотация

Имеющиеся методы, основанные на измерении дальности по задержке распространения сигнала от КА до наземного пункта и измерении угловых координат КА методом радиоинтерферометрии, имеют существенный недостаток, связанный с ухудшением точности радиальной координаты из-за ослабления ответного сигнала как $1/r^{4}$, где $r$ – расстояние от КА до земной антенны, и точности трансверсальных координат как $1/r$. Природой созданы источники высокостабильного периодического излучения – пульсары, использование излучения которых не имеет вышеописанных недостатков. В настоящее время точность регистрации пульсарных импульсов на крупнейших радиотелескопах производится с субмикросекундной точностью. Очевидно, что такая точность вряд ли может быть реализована с антенной, установленной на КА. Тем не менее даже микросекундная погрешность измерений является вполне достаточной для далеких межпланетных перелетов, так как позволяет попасть в наперед заданную точку планеты или её спутника. Цель и задача данной работы – определить требования к бортовым средствам КА для наблюдения пульсаров в радиодиапазоне, определить перечень пульсаров, пригодных для выполнения бортовых навигационных измерений, а также изложить математический метод вычисления координат КА по фазовым дальностям и псевдодальностям относительно барицентра Солнечной системы. В статье рассмотрено несколько возможных типов антенн: многоэлементная фазированная антенная решетка, сферическое зеркало и раскрывающееся параболическое зеркало с одиночным двухполяризационным облучателем. Методом макетных и натурных испытаний показаны преимущества последнего варианта. На основе наблюдательных характеристик пульсаров в радиодиапазоне составлен список реперных пульсаров и приведены их параметры. Изложен алгоритм определения положения КА и поправок к бортовой шкале в барицентрической системе отсчета. Методом численного моделирования для эллиптической гомановской перелетной орбиты к Марсу показано, что точность определения координат КА составляет 3 км. Погрешность определения поправки к бортовой шкале времени имеет величину порядка нескольких микросекунд. Выводы: навигация КА по пульсарам имеет преимущество в дальнем космосе, в околоземном или окололунном пространстве целесообразно использовать другие радиотехнические методы, имеющие заведомо более высокую координатную точность.

Цитирование