脉冲星的天体测量观测和应用
脉冲星的研究及其科学意义
脉冲星的研究及其科学意义脉冲星是极端天体物理领域中比较重要的研究对象，因其特殊的物理特性和独特的发现历史而备受关注。
脉冲星本质上是一种巨大、沉重、极度致密的恒星残骸，其表面到处都笼罩着极强磁场，其旋转周期极短，高达每秒几百次甚至几千次，被广泛认为是宇宙中最稳定的天体。
本文将从脉冲星的发现历史、物理特点、研究对象等方面入手，深入探讨脉冲星的研究及其科学意义。
一、脉冲星的发现历史1958年，贝尔实验室的天文学家詹姆斯.克林特发现了一个奇怪的天体，它以旋转的方式发送着快速而规律的无线电脉冲，被称为脉冲星。
当时的科学家们非常惊讶，因为传统的天体物理学已经无法解释这样奇特的现象。
之后，人们经过长期的研究和探索，逐渐认识到了脉冲星这一新型天体的物理特性和天文意义。
此后，脉冲星成为了天文学、物理学和宇宙学等多个学科交叉研究的重要对象。
二、脉冲星的物理特点脉冲星具有许多特殊的物理特点和天文特性，主要包括以下几个方面。
（一）极端的致密度脉冲星是一类被极度压缩的恒星残骸，通常其质量为太阳质量的1-2倍，但体积仅为太阳体积的10公里左右。
这种密度已经超过了物理学界认为极限的值，也就是大约4x10^14克/厘米^3。
因此，脉冲星的压缩程度已经到达了超过范德华力、电磁力等所有基本相互作用力的极限，它们是人类目前所知宇宙中最密集的天体物质。
（二）极强的磁场脉冲星拥有极强的磁场，大约为10^12到10^15高斯。
这种强度远远超过了普通星体磁场的强度，它是由于脉冲星天体在形成的过程中发生了磁场大幅度增强的“磁演化”过程导致的。
这种强磁场对脉冲星的结构和运动具有极大的影响，例如它可以控制脉冲星的旋转和辐射过程，影响到脉冲星的辐射特性和天体物理特性。
（三）极快的自转脉冲星的旋转速率非常快，约从每秒10到每秒700次不等，其中部分脉冲星的自转速率甚至超过了每秒1000次。
脉冲星自转速率的这种快速旋转是由于气体落入脉冲星的磁场所产生的旋转磁场耦合效应所致。
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。
脉冲星的天文学研究
脉冲星的天文学研究脉冲星是一类极其密度高且旋转极快的恒星残骸，它们是宇宙中最重的天体之一。
脉冲星的研究对于理解恒星演化、引力物理学以及宇宙的起源和结构具有重要意义。
本文将对脉冲星的观测研究、理论模型以及未来的研究方向进行讨论。
一、脉冲星的观测研究脉冲星最早于20世纪60年代被意外地发现。
脉冲星的特征是其发射的电磁波以非常规律的脉冲方式出现。
目前，脉冲星的观测主要依赖于射电望远镜。
通过观测脉冲星的周期、脉冲轮廓以及射电辐射的频谱，科学家可以推断出脉冲星的性质和演化历史。
观测研究发现，脉冲星在自转过程中会逐渐减速，这是由于它们释放能量的原因。
同时，脉冲星的磁场极其强大，可以达到百万至十亿高斯的强度。
这些发现为后续的理论研究提供了重要的观测证据。
二、脉冲星的理论模型脉冲星的理论模型主要包括了中子星模型和脉冲星辐射模型。
中子星模型认为脉冲星是恒星爆炸后残留下来的致密星体，其密度非常高，可以达到十亿吨每立方厘米。
中子星的质量通常在1至2倍太阳质量之间，半径约为10至20千米。
这种极端的物理性质使得中子星具有非常强大的引力和磁场。
脉冲星辐射模型解释了脉冲星的脉冲信号产生机制。
根据这个模型，脉冲星的辐射主要来自于其极端强磁场下的加速电子。
辐射通过星体的旋转和磁场的几何结构而被观测到。
目前，射电、X射线和γ射线波段上观测到的脉冲信号提供了验证这个模型的重要证据。
三、脉冲星的未来研究方向当前，脉冲星的研究正不断发展和深入。
其中一个重要的研究方向是探索脉冲星的引力波辐射。
引力波直接来自于宇宙中的加速物体，而脉冲星是天文学中最理想的引力波源之一。
未来的引力波探测器有望通过观测脉冲星辐射的微弱变化来探索宇宙的引力波背景。
另一个重要的研究方向是研究脉冲星的星际介质相互作用。
脉冲星在星际介质中运动时，会与周围的星际物质相互作用。
这种相互作用会导致脉冲星的自转周期发生变化，并可能释放出高能辐射。
深入研究这种相互作用有助于我们更好地理解星际介质的性质以及宇宙中暗物质的存在。
天文学中的中子星与脉冲星与引力波
天文学中的中子星与脉冲星与引力波引言：天文学作为一门研究宇宙中天体及其现象的科学，一直以来都充满了未知和神秘。
其中，中子星、脉冲星以及引力波是近些年来备受关注的热门话题。
本文将详细介绍中子星、脉冲星和引力波的概念、特征以及它们在天文学领域中的重要意义。
一、中子星中子星是宇宙中一种极为密集的天体，是恒星演化过程中质量较大的恒星在耗尽核燃料后所形成的残骸。
中子星的密度极高，可以达到1个立方厘米内有数十亿吨的水平。
据科学家的估测，中子星的直径大约在10到20千米之间，质量通常在1到2倍太阳质量之间。
二、脉冲星脉冲星是一类高度致密的中子星，其特征是发出规律的脉冲射电波。
这种规律的脉冲信号与脉冲星的自转周期紧密相关。
脉冲星的自转周期一般在毫秒到几秒之间，其中最快的脉冲星甚至可以达到纳秒级别。
脉冲星作为天体中的一种特殊存在，对于理解宇宙的星际介质、磁场以及引力场等方面都具有重大意义。
三、引力波引力波是爱因斯坦广义相对论的重要预言之一，是一种由质量和能量分布在空间中产生的引力场扰动，类似于投入平静湖面的石块引发的涟漪。
引力波在传播过程中是以光速进行的，具有极其微弱的幅度，因此在很长一段时间内被科学家们难以直接探测到。
四、中子星与引力波关系中子星是引力波的重要天体源，当两颗中子星合并或者发生爆炸等现象时，会释放出大量能量，引起引力波的产生。
经过多次观测和探测，科学家们在2017年成功探测到了由两个中子星合并所产生的引力波信号。
这一发现一方面证实了爱因斯坦的引力波假设，另一方面也揭示了中子星合并过程所涉及的丰富物理现象。
五、脉冲星与引力波关系脉冲星的自转速度非常稳定，因此被广泛应用于引力波的探测和研究中。
脉冲星时钟在引力波通过时会受到微弱的扰动，这种扰动可以被敏感的地面探测仪器所记录下来。
通过脉冲星的时序变化，科学家们可以获得引力波的传播速度、频率等重要信息，推动了引力波研究的深入发展。
结论：中子星、脉冲星以及引力波是天文学中重要的研究对象，它们不仅令我们对宇宙的演化和结构有了更深入的认识，也开辟了新的研究领域和视野。
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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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
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• 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。 • 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。
A1
Ss
c
Bb B B ( s b ) | s b |2 ... ph c 2cS
A2
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3
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。 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。
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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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 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， 它取决于较差三角形，并可 导出如下关系式
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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。
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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。
ˆ tg t ph to to t
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 tb 。
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2、脉冲星较差光行时测量
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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 tˆ 空的平直空间，脉冲到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
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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。
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。
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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。