仅利用Crab脉冲星的径向/横向测距方法

针对传统脉冲星测距方法无法在脉冲星横向上定位这一问题,提出了仅使用Crab脉冲星的径向/横向测距方法,从理论上证明了基于脉冲星畸变轮廓的横向测距方法的可行性。除脉冲星到达时间外,该方法测量了脉冲星横面上的可观测方向,即可观测横向方向(OTD)上的位置误差。首先,利用循环互相关法求解脉冲星径向上的脉冲星到达时间;然后,建立横向位置误差下的脉冲星轮廓畸变度模型,并据此确定OTD;最后,利用卡方法求出OTD上的位置误差。实验结果表明,径向/OTD测距法具有实时、高精度等优点,仅利用Crab脉冲星就能在两个方向上实现定位,其径向和OTD上的定位精度分别约为30 m和300 m,计算时间约为1分钟。与传统三颗脉冲星定位方法相比,径向/OTD测距法在仅有两颗脉冲星的情况下三维定位精度提升了17%。

“航天时代的天文学”新生研讨课教学实践探索

新生研讨课是高等学校本科教育改革的重要举措之一。文章对国防科技大学“航天时代的天文学”新生研讨课教学实践进行了探索,包括以能力素质培养为目标的课程内容设计、以学生全员全程高效参与为目标的研讨组织模式、以贡献度为主要导向的考核评价模式等,为高等院校工程专业新生研讨课教学改革提供借鉴。

空间物体观测平动点轨道自主导航方法

针对地月平动点轨道航天器自主导航问题,提出一种基于空间物体观测的自主导航方法,空间物体是指运行在近地轨道的已编目目标。该方法利用航天器携带的星敏感器,测量北斗卫星相对于航天器的角信息,进而估计出最优的位置和速度。首先对星敏感器视场、地球遮挡和太阳干扰约束进行分析,筛选了可供观测使用的北斗卫星。然后利用Fisher信息矩阵对系统进行可观性分析,在初选结果的基础上选出最优观测目标。最后,以运行在地月平动点轨道的航天器为例进行仿真。仿真结果表明,在仿真时长为20h的情况下,其定位精度可收敛至1km以下。

基于DCT-CS的脉冲星周期超快速估计方法

受快速傅里叶变换(fast Fourier transform, FFT)的影响,基于FFT和压缩感知(compressive sensing, CS)的脉冲星周期快速估计算法的计算量大。为进一步减小计算量并提高计算精度,利用离散余弦变换(discrete cosine transform, DCT)取代FFT,提出了一种基于DCT-CS的脉冲星周期超快速估计算法。在该方法中,利用DCT提取脉冲星信号的低频部分构建低频DCT矩阵;构建畸变轮廓字典并获取累积轮廓;提出了利用最大值超分辨率稀疏恢复估计脉冲星周期的方法。仿真结果表明,DCT-CS的脉冲星周期估计精度达到了3.82×10^(-12) s,计算时间达到了9.31 ms。与FFT-CS相比,周期估计精度提高了约16%,计算时间缩短了约37.5%,实现了实时高精度的脉冲星周期估计。

基于实测星载原子钟数据的脉冲星守时方法

利用脉冲星估计星载原子钟钟差是实现卫星自主守时的途径之一。为充分分析基于脉冲星的自主守时系统性能,利用实测的星载原子钟钟差数据和中子星内部组成探测器(neutron star interior composition explorer, NICER)的PSR B1937+21脉冲星的观测数据,对比分析了星载原子钟和脉冲星的误差特性。设计了脉冲星守时系统框架和星载原子钟钟差估计方法。以实测的星载原子钟钟差数据为基础,计算分析了脉冲星守时系统的性能。计算结果表明,若脉冲星的脉冲到达时间(time of arrival, TOA)解算精度为1μs/30 d,则原子钟钟差估计精度可达到优于1μs的水平,初步验证了脉冲星守时系统的可行性。

基于改进动静态滤波的脉冲星/CNS深空探测组合导航方法

为了提高深空探测器的自主导航系统性能,文章提出一种基于改进动静态滤波的脉冲星/CNS组合导航方法。脉冲星观测数据和星光角距信息通过改进动静态滤波器进行信息融合。其中,动态滤波采用UKF处理采样速率快、测量方程非线性强的星光角距测量量,静态滤波采用EKF处理采样速率慢、测量方程线性特征明显的脉冲星测量量,其运行周期可以是动态滤波的若干倍。利用该改进动静态滤波进行组合导航,可避免联邦滤波器中由于各局部滤波器采用相同的状态方程而导致的融合滤波结果不具备最优性的问题。仿真分析表明,基于所提出的组合导航系统,深空探测器的导航精度可提高至10km以内。

考虑系统偏差的脉冲星守时算法研究

脉冲星拥有高度稳定的自转周期,可用对其的观测信息来校正星载原子钟钟差。针对脉冲星守时系统中脉冲到达时间的微小偏差会严重影响守时精度的问题,提出一种考虑系统偏差的脉冲星守时算法。基于脉冲星守时的基本原理,梳理了影响守时系统性能的系统偏差因素,并建立了模型。利用二步卡尔曼滤波算法,在估计原子钟钟差的同时,解耦估计系统偏差。研究结果表明,本算法可以有效地降低系统偏差对脉冲星守时系统的影响。该算法为脉冲星守时系统的工程实现提供了一条可行的思路。

基于单探测器的X射线脉冲星深空导航算法

提出一种基于单探测器的X射线脉冲星深空导航算法.该算法利用单个X射线探测器在不同时刻的观测数据来构建观测模型,因此航天器不必搭载多个X射线探测器,大幅降低了X射线脉冲星深空导航系统的质量和功耗.针对不同的观测方案,利用线性化可观性分析方法对导航系统进行了可观性分析.分析结果表明,航天器应当分时段观测不同的脉冲星来提高导航性能.最后,给出了相应的仿真算例.仿真结果表明利用该算法能获得与传统算法相近的导航精度.

近单一FCC相AlCoCrFeNi高熵合金的常温摩擦学行为及典型磨损机制

采用SRV-Ⅳ型微动摩擦磨损试验机对近单一面心立方(FCC)相AlCoCrFeNi高熵合金及其抛丸试样在常温下的摩擦磨损性能和行为进行了较详细的考察. AlCoCrFeNi高熵合金的磨损量随摩擦频率和法向载荷的变化均大体呈现正相关性.随着摩擦频率升高(6~40 Hz),该高熵合金摩擦界面的原子排列由主要沿(100)晶面逐渐转变为沿(111)晶面,表现出显著的择优取向,其主要磨损机制由氧化磨损和分层磨损逐步过渡到塑性变形和分层磨损;拉曼光谱分析表明该合金在各摩擦频率(除30 Hz外)下形成的磨痕中存在复杂氧化物,其结晶构造与Al_(2)O_(3)和Cr_(2)O_(3)相似.随着法向载荷不断增大(10~200 N),该合金摩擦界面的晶粒更加细化,摩擦界面的原子排列更加趋向沿(111)晶面,其主要磨损机制由氧化磨损过渡到疲劳磨损,最终转变为黏着磨损.由于细晶强化作用,经抛丸处理后该AlCoCrFeNi高熵合金表面显微硬度达403 HV,相比抛丸前提高近1倍.抛丸处理形成的表面强化层有利于降低合金的磨损,其厚度约为25μm.随着摩擦时间延长,该高熵合金抛丸试样的主导磨损机制由塑性变形和分层磨损逐渐转变为同时出现一定程度的氧化磨损;其中,塑性变形和分层磨损机制的组合能导致该合金抛丸试样发生零磨损行为.近单一FCC相AlCoCrFeNi高熵合金及其抛丸试样因其特殊的元素组成和原子排布表现出丰富而典型的磨损行为和机制.本研究阐明了该高熵合金在常温下的几种典型磨损机制,评估抛丸处理对其造成的实际影响,为该体系高熵合金和含有FCC相的复合结构高熵合金在磨损防护领域的合理运用及深入理解其使役行为提供重要依据.

XPNAV-1卫星实测数据处理与分析

为展示我国首颗脉冲星导航试验卫星XPNAV-1载荷实测数据的性能,采用与国外公布实测数据对比分析的方法,从观测数据计数统计、光子能量响应、计时性能三方面介绍了XPNAV-1卫星发布数据的性能。分析结果表明,我国自主研发的探测器观测结果与国外天文卫星载荷观测结果的一致性较好,未来进一步深入发展将有望应用于脉冲星导航。

脉冲星导航在载人火星探测中的应用

针对火星探测存在由于地、火距离远而导致的与地面测控系统通信时延,以及飞行过程中由于航天器处于太阳背面导致的与地面测控系统存在30 d左右通信中断(日凌干扰)等问题,相较于其他常用航天器自主导航方法,X射线脉冲星导航不需要额外的通信服务网络,导航过程不易受干扰,且具有自主性强,系统简单,导航误差不随时间累积,导航精度也不受飞行距离限制等优势,可为载人火星探测器自主导航提供一种新的解决方案。在分析载人火星探测自主导航需求的基础上,结合实际工程应用,阐述了脉冲星导航的应用优势,设计了涵盖X射线脉冲星导航终端及星载计算平台的载人探火系统初步方案,提出了一种基于单探测器序贯观测的X射线脉冲星自主导航方法。基于现有的空间观测数据分析了导航系统的可观测性,仿真验证了系统的导航性能。研究表明:火星轨道探测器基于单探测器序贯观测脉冲星的仿真导航精度可以达到20 km左右,可以作为一种保底的自主导航手段,为未来中国载人火星探测计划的实施提供有效保障。

基于月基观测的脉冲星可见性分析

针对月基脉冲星观测可见性问题,系统梳理了脉冲星可见性影响因素,提出了脉冲星可见性分析方法,在复杂月球运动模型的基础上,建立了一套简化的月基观测站坐标系转换模型。通过理论计算和仿真分析,论证了月基观测站位置、太阳规避角、地球遮挡、脉冲星方位对脉冲星可见性的影响,分析了月球典型区域脉冲星观测可见性特点。结果表明:月基观测站所在纬度对可见时间影响较大,高纬度地区有利于脉冲星的持续观测;太阳规避角与规避时长呈正比;月球正面区域会受到地球规避影响;脉冲星赤纬会影响太阳规避时长,赤纬越大,太阳规避时长越小。

知识素质能力一体的天文通识教育教学模式

以实现融知识素质能力一体的高阶性天文通识教育为目标,结合二十年来的天文教学实际,总结了创新性教学模式,包括:构建线上线下结合、研讨讲授结合的多样化天文课程体系,创新知识传授、素质提升、能力培养融合的教学方法,设计虚实结合的天文观测实践教学方式,通过天文名家常态授课、天文台观测条件利用等手段汇聚优质天文教学资源等,为高等院校天文学教学改革提供借鉴。

X射线脉冲星动态信号处理方法研究

X射线脉冲星导航是一种基于X射线脉冲星观测的新型天文自主导航方法,脉冲星在轨动态信号处理技术一直是脉冲星导航的难点和重点,特别是低轨高动态条件下的信号处理比高轨低动态情况更加困难。针对动态信号处理中实测数据信噪比偏低的问题,提出了一种适用于低轨高动态情况的脉冲星动态信号处理方法,并对其原理进行了分析,建立了相关数学模型,并使用HXMT卫星和XPNAV-1卫星的实测数据验证了算法性能,实验结果表明:该方法有效提高了导航观测量处理精度。

基于星联网的深空自主导航方案设计

为了降低地面测控系统的负担、提高深空探测器的导航效率,提出了基于星联网的航天器自主导航概念,对星联网的应用体系进行了设计。借助脉冲星、星间链路等手段实现星联网系统中基准航天器完全自主的高精度导航,用户航天器通过与基准航天器或其他用户航天器的交互通信与测量就可以实现自身状态估计。以地月转移任务为例,设计了星联网系统在地月空间的具体应用方案,分析了地月空间基准航天器的配置与自主导航方法,阐述了用户航天器的单层与多层导航策略。对基于脉冲星与星间链路观测的基准航天器自主导航进行了仿真,验证了观测基准航天器或者其他用户航天器时,地月转移段航天器自主导航的可行性。结果表明:基准航天器可以达到20 m的定位精度,用户航天器可以达到优于30 m的定位精度。基于星联网的航天器自主导航是可行的,发展星联网可以为我国构建天基自主基准导航系统提供有力支持。

面向脉冲星导航的聚焦型X射线探测器测试标定方法研究

通过脉冲星辐射信号特征研究和空间观测需求分析,提出了一种面向导航应用的X射线探测器测试方法.首先推导了X射线光子欠探测概率公式,分析了不同星源流量及不同探测器时间分辨率下对光子探测能力的影响.通过数值模拟方法建立了脉冲到达时间与脉冲轮廓相似度的关系.处理了我国硬X射线调制望远镜的Crab脉冲星观测数据,研究了不同能段脉冲轮廓差异.其次,系统地研究了面向导航应用的X射线探测器测试及处理方法,并利用地面测试系统完成了一款自主研发的聚焦型X射线探测器测试工作.通过数据分析得到,聚焦型探测器本底噪声为3.63×10^-5ph/(cm^2·s^-1),工作能区为0.2~22.7keV,时间分辨率为4.17μs,空间响应约为5′,能量非线性为0.52%,能量分辨率优于200eV@5.7keV,典型探测效率为39.18%@4.51keV.聚焦型X射线探测器在弱脉冲信号及强背景噪声下,均能还原出Crab脉冲星脉冲轮廓,在2 400s内能够探测到辐射流量弱于背景噪声10倍的脉冲信号.结果表明,该款聚焦型探测器性能优秀,能够满足导航脉冲星(如PSR B1509)的空间观测需求,也验证了测试方法的可行性.

面向综合定位导航授时系统的天地基脉冲星时间研究

中国综合定位导航授时(positioning navigation timing,PNT)体系是以北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)为核心的多源信息融合系统,高精度的毫秒脉冲星计时能够增强BDS时间基准的长期稳定性,并能维持未来深空用户的时间基准.本文提出了一种改善BDS时间基准长期稳定性的脉冲星时地面服务系统,概述了该系统的初步设计与功能,同时研究了天地基脉冲星时建立方法,利用3颗毫秒脉冲星的国际脉冲星计时阵(international pulsar timing array,IPTA)地面射电、“中子星内部成分探测器”(neutron star interior composition explorer,NICER)空间X射线计时数据以及500 m口径球面射电望远镜(five-hundred-meter aperture spherical radio telescope,FAST)模拟数据,分析了天地基脉冲星时的稳定性.研究结果表明,基于IPTA数据的PSR J0437-4715地基脉冲星时的年稳定度为3.30×10^(-14),10年的稳定度为1.23×10^(-15).脉冲星红噪声会降低脉冲星时稳定性,PSR J1939+2134地基脉冲星时的年稳定度为6.51×10^(-12).同时研究发现脉冲到达时间(time of arrival,TOA)的精度是制约天基脉冲星时稳定性的重要因素,基于NICER空间X射线计时数据的PSR J1824-2452A天基脉冲星时年稳定度为1.36×10^(-13).最后模拟分析了FAST将来对脉冲星时的贡献,在不考虑红噪声的影响下,基于FAST的PSR J1939+2134地基脉冲星时的年稳定度为2.55×10^(-15),10年稳定度为1.39×10^(-16),20年稳定度为5.08×10^(-17),显示了FAST强大的脉冲星观测能力.FAST计时观测将有力地提升中国地基脉冲星时系统建设水平,也能增强中国综合PNT系统时间基准的长期稳定性.

一种聚焦型X射线探测器在轨性能标定方法

X射线探测器是X射线天文观测及脉冲星导航的核心器件,受发射振动、高能粒子辐射损伤及元器件老化等影响,X射线探测器空间观测性能会逐渐变化,X射线探测器在轨标定有利于观测天体X射线辐射信息的准确获取及精确建模.研究利用了脉冲星辐射能谱标定X射线探测器性能的方法,能较好地消除探测器本底及空间环境噪声的影响,通过处理脉冲星导航试验卫星(XPNAV-1卫星)的Crab脉冲星观测数据,评估了我国首款聚焦型X射线探测器的在轨性能.计算结果表明,XPNAV-1卫星上聚焦型X射线探测器的有效面积在0.6-1.9 keV能段内优于2 cm^2,其中在0.7 keV能量处取得最大值3.06 cm^2,探测效率约10%;有效面积随着探测能量增大而减小,在2—3.5 keV能段内有效面积约为1 cm^2,而大于5 keV能段的有效面积约为0.1 cm^2,且此能段估计精度明显受光子统计误差影响.同时研究了考虑能量响应矩阵的探测器有效面积标定新方法,利用地面性能测试中五个特征能谱处的能量分辨率重构其能量响应矩阵,重新标定了聚焦型X射线探测器有效面积,发现该能量响应矩阵对结果影响较小.最后建议观测某些超新星遗迹监测能量分辨率及能量线性等指标的变化.

多点注射吲哚菁绿红外显影在下肢淋巴管-静脉吻合术中的应用

目的探索术前多点注射吲哚菁绿(Indocyanine green,ICG)红外显影在下肢淋巴管-静脉吻合术(Lymphaticovenular anastomosis,LVA)中的应用,分析改良显影方法的应用价值。方法选取2020年12月至2022年6月就诊的57例下肢淋巴水肿患者作为研究对象,分为单点注射组(n=25)和多点注射组(n=32)。单点注射组在第一趾蹼注射ICG;多点注射组在第一趾蹼、内外踝和膝关节内外侧共5个点注射ICG。两组患者均通过红外显影观察并标记线性淋巴管,行LVA治疗,比较术中吻合淋巴管数目和手术时间差异。术后随访6个月,采用下肢淋巴水肿指数(Lower extremity lymphedema index,LELI)作为预后指标,观察两组患者术后淋巴水肿症状缓解情况。结果多点注射组吻合淋巴管数目高于单点注射组,手术时间少于单点注射组,差异有统计学意义(P<0.05);LVA术后6个月,单点注射组和多点注射组的LELI均低于术前(P<0.05)。两组患者术后患肢周径均缩小,多点注射组LELI减少程度高于单点注射组,差异有统计学意义(P<0.05)。结论术前多点注射吲哚菁绿红外显影可在术前发现更多的线性淋巴管,缩短术中寻找淋巴管的时间,具有较高的临床应用价值。

脉冲星角位置对脉冲模板的影响及其削弱策略

构建脉冲模板是X射线脉冲星导航的一项关键技术,其精度与脉冲星角位置精度密切相关。基于脉冲模板构建的基本原理,推导得到了脉冲星角位置误差对脉冲模板构建影响的系统误差的年化平均值以及任意弧段积分的解析表达式,分析了脉冲星角位置误差对脉冲模板构建的影响。在此基础上,给出了削弱脉冲星角位置误差影响的方法。通过理论推导和仿真分析,验证了误差削弱方法的有效性,可以为优化X射线脉冲星的观测任务以及X射线脉冲模板的构建提供理论支持。