脉冲星的天体测量观测与应用
脉冲星测量技术用于深空探测器自主导航的原理及方法
脉冲星测量技术用于深空探测 器自主导航的原理及方法
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脉冲星的发现
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脉冲星机制
当一颗恒星变成超新星时，经过激烈变化后，留下满天膨胀的气体和微 小物质，余下的核心直径只有几十到十几公里。超新星的内爆非常强烈，恒 星原子里的质子和电子被紧紧地压缩 在一起，抵消了它们的电荷，形成 中子。这种中子星可以达到水密度 的1014倍，有着极强的磁场，可以 非常快速地旋转。因为磁轴不与旋 转轴重合，二者一般具有一定的 夹角，当脉冲星高速旋转时，辐 射束将沿着磁场两极方向被抛出 ，随着脉冲星的自转，该辐射束 周期性扫过探测器的视界，形成 脉冲。
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脉冲星导航技术研究历程
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研究历程
a) 脉冲星导航思想的萌芽阶段 1. 脉冲星导航思想最早于 20 世纪 70 年代提出。 2. 1971 年，Reichley，Downs 和Morris 首次描述了把射电脉冲星作为时钟的思 想。 3. 1974 年，Downs 在文献《Interplanetary Navigation Using Pulsation Radio Source》中提出一种基于射电脉冲星信号进行行星际导航的思想，标志着脉 冲星导航思想的初步形成。但由于脉冲星的射电信号强度较弱，宇宙中的射 电信号噪声强度大，导航中需要至少 25m 口径的天线接收信号，因此该方法 很难在工程中实现。 4. 20 世纪 70 年代后期，天文观测在 X 射线波段能量范围 1~20keV、频率范围 2.5×1017 ~ 4.8×1017Hz的进展，促进了对 X 射线脉冲星特性的研究。 5. 1980 年 Downs 和 Reichley 提出测量脉冲星脉冲到达时间的技术。 1981 年 Chester 和Butman 在国际上第一次正式提出利用 X 射线脉冲星进行航天器导 航的思想。
天体物理学中的脉冲星现象
天体物理学中的脉冲星现象脉冲星是一种极其有趣的星体现象，它们是非常稠密的中子星，通过旋转释放出规律的脉冲辐射。
在天体物理学中，脉冲星是一个极其重要的研究对象，因为它们为我们提供了一种研究极端物理现象的机会。
本文将介绍脉冲星现象的起源、特征和研究意义。
1. 脉冲星的起源脉冲星是一种极其稠密的中子星。
中子星是一种极端的天体，其密度极高，达到了每立方厘米数以千万亿计的质量。
中子星是由于超新星爆发时内部有足够的重力来压缩和束缚原来的星体，形成的一种自旋极快、温度极高的球形天体。
中子星的质量大约只有太阳的1~2倍，但它们的半径只有大约10千米，因此密度比金属还要高。
这种情况下，中子星的质量被压缩到了70%到90%的质子和中子，但其余的质量则被压缩到了极端密度的奇异物质状态。
当初中子星形成时，它们的自转速度非常缓慢，但之后它们受到的惯性力会使它们逐渐加速自转。
随着旋转的加速，中子星的磁场也会得到放大。
这种情况下，产生了所谓的磁漏斗，一些带有强磁场的物质沿着磁场线从中子星表面抛出，并在极区形成了强烈的辐射。
这些辐射在我们看来就像闪烁的光点，从而发出了脉冲信号。
2. 脉冲星的特征脉冲星是一种发射规律的射电波脉冲的天体，具有很强的射电辐射，每个脉冲一般持续几毫秒到几十毫秒。
脉冲星的特征是它们的旋转周期非常短，一般在几毫秒到几秒之间，也有一些过于快速而难以测量的脉冲星。
脉冲星的脉冲是非常规则的，这意味着它们的周期是高度可预测和稳定的。
脉冲星的射电辐射和旋转轴之间的角度是一个非常小的量。
即使旋转频率非常高，脉冲星的周期也可以持续了几十年，这使脉冲星成为了非常好的时钟。
我们可以使用这些时钟来进行许多精确的测量，例如测量距离和尘埃浓度等等。
3. 脉冲星的研究意义脉冲星是天体物理学的重要研究对象。
它们为我们提供了研究极端物理现象的机会。
由于中子星的极端物理性质，脉冲星可以成为研究许多重大问题的突破口。
由于脉冲星的周期非常稳定和可预测性，它们成为了天文学家研究宇宙学中中子星、引力波和重力场的好探测器。
脉冲星的观测与研究
脉冲星的观测与研究脉冲星是宇宙中一种极为特殊的天体，是一种自转非常快的中子星。
脉冲星发射出规律的脉冲辐射，因此得名。
对脉冲星的观测与研究，不仅可以帮助我们了解宇宙的演化过程，还能为寻找地外智慧生命提供线索。
本文将主要介绍脉冲星的观测方法以及研究进展。
一、脉冲星的观测方法脉冲星的观测主要依赖于射电天文学，通过射电波段的观测可以探测到脉冲星的脉冲信号。
观测脉冲星的主要方法有以下几种：1. 射电望远镜观测：目前，大多数脉冲星的探测都是通过射电望远镜进行的。
射电望远镜通过接收地面或太空中的射电信号来观测脉冲星的脉冲辐射。
其中，射电干涉仪是一种强大的观测工具，它可以提供高分辨率的观测图像，为脉冲星的研究提供了重要数据。
2. 波束形成技术：由于脉冲星的射电脉冲通常非常弱，观测者需要尽可能地提高信噪比。
波束形成技术可以合成一个有效的大天线，以增强信号的接收能力。
该技术在脉冲星观测中被广泛应用，提高了观测的灵敏度和精度。
3. 多频段观测：脉冲星的辐射信号在不同的频段表现出不同的特征，因此通过多频段观测可以获得更丰富的信息。
例如，X射线、γ射线、可见光和射电波段的观测可以提供脉冲星的能谱特性，从而更全面地了解其物理性质。
二、脉冲星的研究进展随着观测技术的不断发展，脉冲星的研究取得了许多重要的进展。
下面将介绍一些重要的研究成果：1. 脉冲星的定位与分类：通过高精度的射电观测，科学家们成功地对脉冲星进行了准确定位，确定了它们的空间分布和天体运动特征。
此外，根据脉冲星的脉冲特征，也进行了分类研究，揭示了不同类型脉冲星的不同物理属性。
2. 脉冲星的自转测量：脉冲星的自转周期非常稳定，因此可以通过观测脉冲星的自转周期来测量其自转速度和自转衰减。
这些测量结果有助于研究脉冲星内部的物质结构和星际介质的物理参数。
3. 脉冲星的磁场探测：脉冲星的磁场非常强大，是地球磁场的上百万倍。
通过测量脉冲星的磁场，可以了解磁场对脉冲星自转和辐射过程的影响，以及与磁场相关的高能物理现象。
脉冲星导航技术研究与应用
脉冲星导航技术研究与应用第一章：引言脉冲星导航技术是一种基于脉冲星的天文导航方法，它与GPS 等卫星导航系统不同，它不需要卫星信号和地面基站的支持，因此具有天然的安全、隐私和抗干扰特性。
脉冲星导航技术不受天气、地形等自然条件的限制，适用于广泛的应用领域，如航空航天、海洋航行、船舶定位、智能交通、地震勘探、物流追踪和无人驾驶等。
本文将针对脉冲星导航技术的研究现状和应用前景进行论述。
第二章：脉冲星导航技术原理脉冲星是一种特殊的中子星，它既具有极强的磁场，又能以极高的速度自转。
当脉冲星的磁轴与地球连线在一定角度内时，会向地球发射一系列极短的脉冲信号，这种信号称为脉冲星射电信号。
利用脉冲星信号的周期、频率等参数，可以确定地面接收器和脉冲星的相对位置和速度，从而实现对地球定位和导航。
脉冲星导航技术主要包括单点定位和差分定位两种方法。
单点定位是指通过接收一颗脉冲星的信号，利用计算方法确定接收器的位置。
差分定位是指同时接收两颗脉冲星的信号，通过计算两颗卫星的距离差或相对位置信息来确定接收器的位置。
第三章：脉冲星导航技术研究现状脉冲星导航技术的研究始于20世纪80年代，目前已经取得了一系列重要进展。
首先，对脉冲星射电信号的特性和测量方法进行了深入研究。
通过不断改进接收设备和处理算法，提高了信号测量的精度和可靠性。
其次，建立了包括数学模型、计算方法和实验验证等在内的完整的脉冲星导航系统。
该系统可以实现对接收器的实时位置和速度的定位，同时也可以提供其他相关信息，如地球引力场的测量等。
最后，针对不同的应用场景和需求，开发了一系列脉冲星导航应用软件和硬件设备，如飞行器导航、车辆定位和物流追踪等。
第四章：脉冲星导航技术应用前景由于脉冲星导航技术具有天然的优势，因此在未来的应用场景中将具有广泛的应用前景。
首先，脉冲星导航技术将成为未来新一代导航系统的重要组成部分。
特别是在高精度导航领域，由于脉冲星传输的信号稳定性和精度远高于GPS，因此它将成为无人机、航空器、火箭等高性能飞行器的首选导航方式。
天体物理学中的射电观测技术
天体物理学中的射电观测技术天体物理学是研究宇宙中各种天体及其演化过程的学科。
射电观测技术是天体物理学中一种重要的观测手段，它利用射电波来观测宇宙中的电磁辐射。
本文将介绍天体物理学中常用的射电观测技术以及其在研究天体物理学中的应用。
一、射电观测技术的基本原理射电波是一种电磁辐射，具有较长的波长和低的频率。
射电观测技术使用射电望远镜接收宇宙中的射电信号，通过对信号的处理和分析，可以获得关于天体的重要信息。
射电观测技术主要包括射电天文学、射电干涉测量和射电成像等。
二、射电天文学射电天文学是利用射电观测技术研究天体物理学的分支学科。
射电天文学可以观测到那些发射或吸收射电波的天体，比如银河系、星系、星云、脉冲星等。
通过对射电信号的测量和分析，可以研究天体的物理性质、演化过程以及宇宙的起源和演化等重要问题。
三、射电干涉测量射电干涉测量是一种基于干涉原理的射电观测技术。
它利用多个射电望远镜组成干涉仪，通过测量不同望远镜之间的相对延迟和幅度差异，可以合成一个高分辨率的射电图像。
射电干涉测量可以提高射电观测的空间分辨率，使得观测到的天体图像更加清晰和详细。
四、射电成像射电成像是通过对射电信号的处理和分析，获得天体的射电图像。
射电成像的过程包括信号采集、校正、图像重建和显示等步骤。
射电成像可以提供天体的空间分布信息，帮助研究者了解天体表面特征、活动以及其他物理特性。
五、射电观测技术的应用射电观测技术在天体物理学中有着广泛的应用。
例如，通过射电观测，可以研究宇宙中的暗物质分布以及暗能量的性质。
射电观测还可以帮助研究者研究星系的形成和演化，探索星系间的相互作用。
此外，射电观测技术还可以用于探索宇宙早期的演化过程，研究宇宙大爆炸后的宇宙微波背景辐射，以及寻找脉冲星、类星体等特殊天体。
六、射电观测技术的发展趋势随着科学技术的不断发展和进步，射电观测技术也在不断创新和改进。
目前，科学家们正在开发更大口径和更高分辨率的射电望远镜，以提高射电观测的灵敏度和空间分辨率。
宇宙脉冲星探索宇宙中脉冲星的分布与性质
宇宙脉冲星探索宇宙中脉冲星的分布与性质脉冲星，是一类极为神秘且独特的天体。
它们是一种由质量极大的恒星引发的物理现象，以极其规律的脉冲信号而闻名。
对于探索宇宙中脉冲星的分布与性质，科学家们进行了大量的研究与观测。
本文将从不同角度介绍宇宙中脉冲星的分布及其性质，并探讨这一领域未来可能的发展。
一、脉冲星的发现与分布脉冲星的发现可以追溯到20世纪60年代初，当时通过射电天文观测首次发现了这一奇特的脉冲信号。
目前已知的脉冲星数量超过2000颗，它们分布在银河系中的各个区域。
尤其是矮星附近和星系中心区域，脉冲星分布密度相对较高。
脉冲星的形成与演化过程非常复杂。
通常，它们是由质量较大的恒星在超新星爆发时塌缩而成，质量几倍于太阳并密度极高。
这种高密度使得脉冲星旋转速度非常快，通常在几十到几百次每秒。
二、脉冲星的性质1. 脉冲信号的规律性脉冲星最显著的特征就是其规律的脉冲信号。
这些信号在射电波段表现为强烈的射电脉冲，并且非常准确地按照固定的周期发射。
这种准确的周期性信号使得脉冲星成为极其精确的天文钟，可以被用于研究时间和空间的奇特现象。
2. 强磁场与自转脉冲星的强大磁场也是其性质之一。
通常，脉冲星的磁场强度可以达到数千亿高斯，远远超过其他天体的磁场。
这种强磁场不仅使脉冲星释放出强烈的辐射，还导致了它们自转的特点。
脉冲星通常以极高的自转速度旋转，这也是其脉冲信号产生的根源。
3. 相对论效应与引力透镜由于脉冲星自转速度的极快，其极速旋转时产生了引力凹陷现象。
这一引力凹陷会导致光的弯曲，产生相对论效应。
同时，脉冲星的强磁场还可以产生引力透镜效应，使得脉冲星成为研究引力透镜现象的理想天体。
三、未来的发展前景1. 更精确的观测技术随着射电天文观测技术的进步，可以预见未来对脉冲星的观测将越来越精确。
高性能的射电望远镜和探测器的使用，将为科学家们提供更多有关脉冲星不同性质的数据，进一步深入研究脉冲星的内部结构以及它们产生的脉冲信号的机制。
脉冲星的天文学研究进展
脉冲星的天文学研究进展脉冲星是指自转速度极快的中子星，它们天文学的研究一直备受关注。
自2019年，中国科学家首次成功发现了三颗彗星脉冲星以来，天文学家们的研究又向前迈进了一步。
脉冲星的自转周期非常短，通常在纳秒到秒级之间，而它们的较强磁场也是其最显著的特点之一。
在天文学界中，脉冲星被认为是极其稳定的时间标准，因为模拟数据表明它们的旋转速度几乎不变，不受外界干扰。
在以前的天文学研究中，脉冲星往往被用来研究重力理论和宇宙演化。
不过，随着科技的飞速发展，脉冲星的研究领域也在不断拓展。
今天，我们将介绍一些最近的脉冲星研究进展。
1. 发现彗星脉冲星根据最近的研究报告，中国天文学家第一次成功地发现了三颗彗星脉冲星。
在过去的十年中，只有美国的一台望远镜能够探测到这种类型的脉冲星，但其仪器只能探测到其中的一颗。
而中国专门建造了一台高灵敏度的望远镜，并使用高性能计算机处理数据，成功探测到了三颗彗星脉冲星，实现了这方面的突破。
2. 探索脉冲星的磁场脉冲星的较强磁场一直被认为是其最显著的特点之一。
近年来，天文学家们通过观察脉冲星发射的射电脉冲，探索了脉冲星的磁场。
其中一个例子是基于射电波测量的在内部测量脉冲星磁场的方法。
这项技术可在三维环境中测量脉冲星的磁场，并对天文学家们对脉冲星的理解进行了深入的挑战。
3. 研究脉冲星的进化天文学家们对脉冲星的进化历史也很感兴趣。
最近研究显示，脉冲星旋转越快，年龄就越小。
而通过比较大量脉冲星数据，天文学家也发现了一种异常现象，即：在旋转速度相同的情况下，有些脉冲星的年龄要比其他脉冲星更年轻。
这种现象引起了科学家们对脉冲星的进化历史的研究。
4. 探究脉冲星和引力波之间的关系近年来，引力波技术的飞速发展，也为研究脉冲星和引力波之间的关系提供了新契机。
研究发现，当脉冲星同轴旋转时，会产生星际介质扰动，引起引力波。
因此，在未来的引力波实验中，研究脉冲星的成分将会有着重要的地位，从而更好地理解引力波的性质。
天体物理学中的中子星和脉冲星
天体物理学中的中子星和脉冲星天体物理学是研究宇宙中各种天体形成、演化以及物理性质的学科，它是物理学的一个分支。
中子星和脉冲星是天文学中的两个重要的天体，它们具有非常神秘的物理性质，特别是脉冲星的定时卫星导航和探测外星信号等领域应用有很大潜力。
一、中子星中子星是一种由引力坍缩形成的致密天体，通常是由一个爆炸的超新星的遗骸所产生。
它的质量非常大，而体积非常小，可以将其比喻为一个体重达到500,000亿吨的高山，却只有20-30千米的半径。
这种特殊的物理性质使得它们的密度非常高，可以达到一个惊人的10^17克/立方厘米以上。
中子星的表面温度可以高达数百万度，但它们的发光通常被 X 射线和 Gamma 射线所代表。
中子星本质上是一个致密核子物质的球体，通常认为由中子和质子和电子等超高能粒子构成的物质。
中子星内部的部分甚至被认为是由奇异物质组成，奇异物质具有比中子和质子更重的夸克成分，且以超常的方式来保持稳定。
二、脉冲星脉冲星是一种旋转速度非常快的中子星，它们在宇宙中主要是以一种规则高精度的脉冲信号来发现的。
这些脉冲信号产生于磁场极其强大的区域，从地球上看这种信号通常是以非常规律的间隔数千亿次的发射。
这种规则的脉冲现象被归纳为脉冲星。
根据脉冲星的旋转速率和其磁场的大小，脉冲星也可以被分为毫秒脉冲星和标准脉冲星。
毫秒脉冲星通常旋转更快，而且磁场通常更弱，其本质上是一种中子星，并且其间隔逐渐递减。
而标准脉冲星通常旋转速度更慢，但磁场也通常更强，间隔也是稳定的。
脉冲星的磁场可以达到百万高斯的级别，而地球的磁场仅为几个高斯。
三、中子星和脉冲星的意义中子星和脉冲星在天文学领域中的重要性不言而喻。
它们的丰富的物理性质可以帮助我们更好地理解宇宙的性质，并研究恒星和行星等天体的形成与演化。
此外，脉冲星的周期稳定性和精确度非常高，可以用来作为卫星导航的极其精确的时钟，用于导航卫星和探测器上所需的时间码。
这种高精度的脉冲时钟还可以用于定位行星等宇宙探测任务，特别是在解决人类外太空太空船和探险团问题上具有重要意义。
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1、脉冲星的方向测量
③ 但至今为止脉冲星的光学观测进展不大， 原因在于：
脉冲星体积很小，典型的半径仅10km，在 恒星距离尺度上它们的亮度非常微弱，如 最著名的蟹状星云中心的脉冲星为17等， 船帆座中的脉冲星甚至暗到24等。
如此微弱的天体的光学积分观测难以区分 其光辐射是连续的还是脉冲式的。
• 方向角测量得到目标天体横向位置信息，通过光 学成像技术实现，有绝对测量、相对测量和较差 测量不同方法。脉冲星的光学观测至今进展不大。
• 光行时测量得到与天体的距离有关的信息，通过 各种计时手段实现，有单向光行时测量、双向光 行时测量和较差光行时测量。对于遥远天体，只 能实现较差光行时测量。周期稳定的脉冲星的计 时观测可导出测站和太阳系质心间的较差光行时 结果。
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2、脉冲星较差光行时测量
4. 脉冲星具有非常稳定的脉冲周期，因此脉冲在 假想的真空中传播到达质心坐标系的不动点的 时刻应是可精确预测的，而其到达观测者时刻 既包含观测者位置变化的信息(几何时延)，也 包含引力场和传播介质产生的时延(物理时延)。 若将两点间较差光行时减去各种物理时延，剩 余的几何时延只反映了脉冲星到两者的距离差。 所以这也是一种较差测距。由此可给出地球或 人造天体相对于质心系的坐标信息－它们的质 心矢量在源方向的投影，其几何原理和VLBI一 样。不同的是VLBI可以测量任何形式的信号， 而计时法只适用于非常有规律的信号。
天体间弧长的较差测量。如伊巴谷卫星，用于 建立一个无定向的均匀空间框架。
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1、脉冲星的方向测量
② 这些测量给出以角度表示的天体的方向参 数。较近的天体还可通过方向参数变化与 观测者位置变化的关系导出距离参数－视 差。光学天体测量的主要成果是建立各类 星表，一方面提供了精度不断提高的天球 参考架；另方面，为各种天体物理学观测 提供目标星表，或为天体物理学研究提供 高精度的几何参数样本。
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1、脉冲星的方向测量
④ 若能将脉冲星的光学观测和VLBI观测 相联合，可作为光学参考架与射电参 考架联系的一种途径。也为对脉冲星 的物理研究提供可见光波段的信息。 是否应当开展脉冲星的光学观测并争 取有所突破？这需要开发特殊的观测 技术。
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2、脉冲星较差光行时测量
O
1. 遥远天体方向参数的另一类
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2、脉冲星较差光行时测量
6. 如果将脉冲星计时观测装置放在深空飞行 器上，依据上述同样原理，可以导出飞行 器的质心坐标矢量。这为飞行器的自主导 航提供依据。对于各种地基的轨道测控技 术，横向定位精度都随航天器远离地球而 成比例下降，但观测脉冲星实现的定位精 度不随航天器远离地球而降低，这是该方 法的最大优点。至于其在航天器安全方面 的意义如所周知。
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1、脉冲星的方向角测量
① 至今，只有光学技术可以作直接的方向角的测 量。天体光学波段的天体测量学观测，几百年 来形成系列的观测方法，有
相对于地方量度坐标系的绝对测量。如最初的 子午环绝对测量，建立最初的天球参考架。
相对于已知天体框架的相对测量。如子午环、 天体照相望远镜等，主要做参考架加密。
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前言
对于这样一个处于初级阶段的研究方向，需 要从多方案、多视角、多途径进行探索性的 研究，并需要特别重视多学科、多团队之间 的合作、交流，包括研究成果交流、学术动 态交流，以至基础性、概念性的讨论班。 下面我们从天体测量学的角度对我国脉冲星 导航问题研究阐述我们的视角。
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前言
• 天体坐标的测量方法可概括成方向角测量和光行 时测量两大类，航天器的位置测定也是一样。
测量方法是 测量无线电波传
播的较差光行时－测量同一 天体到两测站光行时之差，
S sr
它取决于较差三角形，并可
导出如下关系式
cA1rA2B c (s rb r) 2 B c S |s r b r|2 ... B bp h
这就是VLBI的工作原理，由此可以导出天体在基线框架 间的坐标（测天），也可导出基线在天体框架间的坐标 （测地），或两框架间的转换关系(测地球姿态）。 9
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2、脉冲星较差光行时测量
7. 脉冲星计时方法实现的较差光行时测量，其原 理也很简单。脉冲星在测站的到达时刻，通过 地方原子钟原时转换到地球时，再转换到质心 坐标时，记为 t o 。假定整个光程空间是完全真 空的平直空间，脉冲到tˆ 达太阳系质心的时刻记
为 tˆ ，称为质心瞬间。此时较差光行时可写成 tototˆtgtph
2、脉冲星较差光行时测量
2. 如果将基线的一端放在地球卫星上或月球 上，另一端仍在地球上，作较差光行时测 量，可导出卫星或月球相对于地球的位置 信息。
3. 如果将基线的一端放在太阳系质心处，另 一端在地球或某人造天体上，作较差光行 时测量，原理上可以测定地球或人造天体 的质心坐标矢量的信息。但在现实中无法 实现在质心处放置天线并作VLBI观测，需 要借助特殊的较差测量原理。
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2、脉冲星较差光行时测量
5. 一切射电源的VLBI测量都可给出地球赤道 的信息，而只有脉冲星计时观测导出的较 差光行时可给出黄道信息。这是至今唯一 能直接对地球作三维空间定位的方法，能 不依赖于动力学理论测定出地球实际的质 心位置。将其与其他建立在动力学理论基 础上的轨道相比较，对改进行星地球的轨 道历表和相关的理论将有许多不同的意义。
上式右端两项分别是几何时延和物理时延。
这里的 tˆ 不同于脉冲实际的质心到达时刻 t b 。
脉冲星的天体测量观测和应用
上海天文台 赵铭
(mzhao@)
2007年7月30日
1
前言
40年来，脉冲星越来越成为天体物理研究的热点领 域，自提出脉冲星计时观测可作为飞行器自主导航 的理想手段以后，特别是我们国家将其作为一项涉 及国家战略的前瞻性研究项目以后，更成为我国天 文界和航天界的一项紧迫的研究任务。 从两天来的报告所提供的情况来看，通过脉冲星计 时观测作航天器导航目前还只处于概念阶段，撇开 技术问题不说，大家反复引用的公式还只是一个原 理性的、概念性的公式，远未形成一个成熟的理论 系统和工作流程。离开实际的实现还很遥远。