脉冲星时间尺度及其TOA预报初步分析

在简述国际天文学会(IAU)定义的几种不同时间尺度的基础上,重点讨论脉冲星计时观测中时间坐标相对论转换问题。脉冲星计时观测资料分析应该参考地球时TT,并将TT转换为质心坐标时TCB或质心力学时TDB。基于IAU重新定义的TDB,讨论和比较了时间坐标转换的解析算法和利用太阳系天体历表的数值积分算法。分析了TCB和TDB对脉冲星自转参数测量的影响。最后,以毫秒脉冲星PSR B1855+09的计时模型为例,初步分析了脉冲星脉冲到达时间的预报问题。

X射线脉冲星自主导航的光子到达时间转换

根据广义相对论的后牛顿近似时空理论,在忽略太阳系天体自转和扁率的情况下,详细推导出X射线脉冲星自主导航中,光子到达观测航天器和太阳系质心的时间差值,它是对现行公式的修正.导出了质心坐标时与航天器固有时的变换关系,根据这一关系,建议在脉冲星导航的工程设计中可以仿照GPS,将航天器携带时钟作频率调整,从而有利于工程计算.

基于1(1/2)维谱的脉冲星累积脉冲轮廓到达时间测量

为了提高X射线脉冲星空间导航定位精度,提出了基于1(1/2)维谱的脉冲星累积脉冲轮廓到达时间测量算法.理论上1(1/2)维谱可以抑制加性高斯噪声和直流偏差.利用三阶自累积量和三阶互累积量对角切片谱的相位关系,推导出累积脉冲轮廓到达时间测量公式.实验结果表明,基于1(1/2)维谱的累积脉冲轮廓到达时间测量算法可以有效抑制加性高斯噪声,测量精度优于Taylor FFT算法.

基于X射线脉冲星导航试验卫星观测数据的到达时间估计

中国首颗X射线脉冲星导航试验卫星(X-ray Pulsar Navigation-1,XPNAV-1)搭载了两种体制的X射线探测器,其主要任务是在轨开展X射线脉冲星的探测以及进行脉冲星导航体制的验证。为了实现到达时间(Time of Arrival,TOA)的高精度估计,提出了利用阵列信号处理领域的多重信号子空间分类(Multiple Signal Classification,MUSIC)方法进行脉冲星导航的TOA估计,进行了试验仿真验证,并且对XPNAV-1观测到的蟹状星云(Crab)脉冲星的光子数据进行处理。在观测时间为协调世界时(Coordinate Universal Time,UTC)57 727.0约简儒略日(Modified Julian Day,MJD)到UTC 57 812.0 MJD内,选取了0.5~10keV频段内的121段光子观测数据,对这些数据进行了脉冲轮廓折叠,得到了Crab脉冲星的折叠轮廓,然后分别利用互相关法和MUSIC方法进行折叠轮廓的TOA估计,最后对比了两种方法的估计结果。

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%。

脉冲星导航试验卫星空间计时数据的初步分析

脉冲星导航试验卫星(X-ray pulsar-based navigation-1,XPNAV-1)是我国首颗致力于探索X射线脉冲星导航技术的空间试验平台,已在轨运行七年多,获得大批观测数据,本文收集了该卫星三年多的空间观测数据,开展了一些有益的技术探索.首先处理分析了卫星对Crab脉冲星观测数据,得到Crab脉冲星的每轨、每天和总脉冲轮廓,结果表明,在时间维度上脉冲轮廓是稳定的,与国内外观测结果一致性较好;其次得到Crab脉冲星不同能段脉冲轮廓,分析了脉冲轮廓随能量变化特征;在能量维度上,得到了Crab脉冲星在不同脉冲相位区间的能谱,发现能谱与相位区间的脉冲强度成正比,表明我国自主研制的聚焦型X射线探测器具备良好的技术状态,也实现了卫星精确地“看得见”脉冲星的试验目标.最后利用XPNAV-1卫星的三天观测数据,实现基于最小二乘算法的脉冲星导航试验解算,得到卫星轨道确定精度约为56.93 km,分析发现XPNAV-1星对Crab脉冲星观测误差和初始轨道误差对当前导航解算精度影响较大.

X射线脉冲星大尺度时间转换模型研究

针对X射线脉冲星导航时间转换模型计算复杂度高、难以工程应用的问题,分析了脉冲星导航中的时间转换模型,给出了完整的转换模型公式,然后利用RXTE卫星约6000 d的Crab脉冲星观测数据研究了光线弯曲改正高阶项、太阳系内天体的Shapiro延迟、视差和脉冲星自行等项对时间转换精度的影响,最后给出了1 ns、100 ns和10μs三种精度下的简化时间转换模型,简化的时间转换模型有效地降低了计算复杂度,能够满足不同精度的脉冲星导航应用需求。

X射线脉冲星导航时间测量电路的设计

在X射线脉冲星地面实验系统的仿真源所产生的X射线并经过前置电路转换成光子脉冲的基础上,设计了一种高精度的光子脉冲到达时间测量电路。该时间测量电路采用Xilinx公司的Virtex 5开发板,利用粗时间测量与细时间测量相结合方法,得到从75ps到99 year的高精度大动态范围的时间测量数据。实验仿真结果表明,该时间测量电路具有测量时间动态范围大,精度高,实现成本低,电路稳定性好等特点,为X射线脉冲星导航定位系统的后续数据处理电路提供了高精度的X射线光子脉冲到达时间数据。

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.

X射线脉冲星导航技术研究进展

X射线脉冲星能够为近地轨道、深空和星际空间飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息,实现航天器高精度自主导航和运行管理,有着巨大的发展潜力．本文论述了X射线脉冲星导航技术研究历程;重点研究了X射线脉冲星导航的基本原理、信息处理流程和自主导航算法,进而提出了脉冲星导航的关键技术;分析了国内脉冲星观测研究的基础条件,以及开展X射线脉冲星导航技术研究的必要性和可行性．

基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航

基于星间链路的导航星座自主导航,存在星座整体旋转误差随时间累积问题,致使星座难于长时间自主运行。X射线脉冲星导航为星座整体旋转问题提供了一种新的解决途径:在导航卫星上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,整合脉冲轮廓和提取影像信息,星载时钟记录脉冲到达时间,经过星载计算机处理得到卫星位置、速度、时间和姿态等导航参数;脉冲星辐射的X射线信号为导航卫星提供了绝对时空基准,不存在星座整体旋转问题。在简要论述基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航的基本概念、系统组成和几何原理的基础上,重点研究了导航卫星轨道确定与时间同步的自适应卡尔曼滤波算法,并通过数值分析试验,初步论证利用X射线脉冲星解决自主导航星座整体旋转问题的可行性和合理性。

基于最大似然的X射线脉冲星空间定位研究

为提高X射线脉冲星空间定位精度,讨论了脉冲TOA测量技术,解释了X射线脉冲星空间导航定位的时间参考原点定义;研究了基于最大似然估计的X射线脉冲星空间定位算法,以4颗X射线脉冲星源作为解脉冲周期模糊的最小运算单元,不断引入新的X射线脉冲星直至确定唯一的脉冲整周期数;选取5颗X射线脉冲星源,建立空间定位模型。仿真实验表明在半径约121309Km的球形试探范围内至少需要5颗脉冲星才能确定唯一的脉冲整周期数,结合最大似然估计可以有效提高空间定位精度。

X射线脉冲星导航中脉冲轮廓的频偏和时延算法

观测轮廓与标准轮廓的频率偏差和时间延迟是X射线脉冲星导航的两个观测量,讨论其计算方法并提出如下改进意见:①对探测器的最小分辨时间作进一步的时间细分,在每一个小的时间间隔内接收的光子数可以假设满足二项分布,再对观测轮廓叠加可以求得更高精度的频偏;②将实际观测轮廓分为理想轮廓及其偏差两部分,而TOA是指理想轮廓与标准轮廓的时延,Sala等人提出的用相关函数求TOA方法仅对理想轮廓成立;③如果实际轮廓在测量过程中形状不变,则偏差产生的TOA估计误差为一常数。在此基础上提出实际观测轮廓的TOA估计方法,其计算精度小于探测器的最小分辨率。

我国脉冲星观测研究的进展和前景

介绍了脉冲星观测研究的意义， 国际上所取得的重大成就和脉冲星观测最主要的技术问题。分析了我国脉冲星观测研究的现状和潜力、存在的问题和美好的前景。对正在执行的由中、澳、英合作的“利用乌鲁木齐２５ ｍ 射电望远镜在１８ｃｍ 波段上进行脉冲星脉冲到达时间的观测研究”项目，就其课题意义、接收系统的技术改造和观测灵敏度等进行了介绍。展望了ＦＡＳＴ

X射线脉冲星导航可用目标源研究

脉冲星具有自转非常稳定的特性,在空间自主导航中有重要的应用前景。选择和研究一组适合于脉冲星导航使用的候选目标源非常重要,决定脉冲星导航精度的主要因素有:导航目标源X射线流量强度、目标源的位置精度和旋转参数精度。对可用于导航的一些X射线源进行了讨论研究,并对最适合做导航研究的转动能驱动的X射线脉冲星进行统计分析。

一种高精度的X射线脉冲星导航TOA估计方法

针对X射线脉冲星导航(XPNAV)系统的基本观测量——脉冲到达时间(TOA)的估计问题,提出一种高精度的TOA估计方法。该方法基于特征子空间分解类算法的高精度的参数估计特性,首先通过细致分析标准轮廓与折叠轮廓之间的互相关结果,构造新的观测方程;然后对该方程进行特征值分解得到两个相互正交的特征矢量;最后利用两个特征矢量之间的正交性完成TOA估计。数值仿真结果有效校验了算法的性能。

利用X射线脉冲星的星间差分联合定位方法

提出了一种基于X射线脉冲星的空间联合相对定位模式,主星接收脉冲星辐射脉冲信号,将到达时间、个别脉冲特征经星间链路向邻近卫星转发,经过测量脉冲星信号星间的传播时差,建立定位方程来解星间相对位置.推导了脉冲到达时间预测模型的误差修正公式,分析了脉冲星个别脉冲的可辨识性.所提方法兼有脉冲星自主导航、精确定时的特点,受脉冲星相位预测模型误差的影响较小,有助于实现到达时间预测模型的在线自适应修正,也有助于实现卫星星座的联合定轨.

脉冲星TOA测量误差及几何精度分析

利用信躁比估算法对脉冲星数据库中适宜导航的脉冲星进行了脉冲到达时间测量误差计算。分析了测量误差随观测时间及探测器面积的变化情况。在此基础上,指出了在DOP值分析中脉冲星导航与GPS的不同点;按照脉冲到达时间TOA测量误差较小原则给出了10组脉冲星优选组合。分析了DOP值随观测时间及观测脉冲星数的变化情况。

基于Daubechies小波的X射线脉冲星信号降噪研究

针对X射线脉冲星弱信号埋没在强噪声中,在短时间内周期叠加的脉冲轮廓的信噪比低,影响脉冲到达时间的估计精度和效率,提出基于Daubechies小波的X射线脉冲星信号降噪的算法。在对RXTE观测数据预降噪处理和周期叠加的基础上,采用Daubechies小波算法做降噪处理,使得较短的时间内仍能获得高信噪比的脉冲轮廓。利用RXTE观测数据进行验证仿真,结果表明,该算法能有效滤除X射线脉冲星信号所包含的设备及空间环境的噪声,在保证脉冲到达时间精度的情况下,缩短了观测时间,提高X射线脉冲星导航的效率。

X射线脉冲星单星动力学定轨

基于单脉冲星的动力学定轨,在X射线脉冲星导航技术尚不成熟时具有较强的实用价值。将X射线脉冲星观测方程与航天器动力学模型相结合,系统研究了利用X射线脉冲星观测量进行单星动力学定轨的方法原理。利用仿真数据量化分析了各项因素对定轨精度的影响,指出X射线脉冲星方向单位向量越靠近航天器轨道面单星定轨位置精度越差。因此提出了单探测器轮流观测多颗脉冲星的准多星定轨方法,从而使定轨精度由km量级提高到了20 m。