基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法（英文）

针对脉冲星信号周期估计需逐步搜索、计算量大等问题,提出脉冲星信号周期直接估计算法.根据周期不确定误差对时域上脉冲到达时间(Pulse Time of Arrival,TOA)估计方法的影响,推导了基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法的数学模型.该方法将一组观测到的脉冲光子到达时间序列(Photon Time of Arrivals,TOAs)进行等时间间隔分段,在时域上对每段TOAs进行相位估计获得相应的TOA信息,并根据建立的TOA信息与周期误差的关系采用最小二乘原理估计脉冲星信号周期.对周期准确性的评价不同于传统的依赖折叠轮廓的好坏,而是以TOA与时间图像的斜率作为依据,这一依据更直观、易于理解.理论分析与物理、计算机仿真数据结果表明,本文所提的周期估计方法能够根据短时间脉冲光子到达时间序列获得高精度和高分辨率的脉冲信号周期,有利于X射线脉冲星导航的工程应用.     

一种新的X射线脉冲星信号模拟方法

由于无法在地面直接观测到X射线脉冲星信号, 且空间飞行探测耗时长, 成本高, 模拟具有真实物理特征的X射线脉冲星信号对X射线脉冲星信号处理方法及导航方案的验证具有重要意义. 本文提出了一种利用太阳系质心处脉冲星信号模型和航天器轨道信息, 建立航天器处实时光子到达速率函数, 再利用尺度变换法产生光子到达时间序列的脉冲星信号模拟新方法. 该方法真实还原了脉冲星信号的频率缓变特性, 考虑了动态探测环境下的相对论效应, 且避免了现有模拟航天器处光子序列方法中的迭代过程, 产生非齐次泊松光子到达时间序列的运算量也低于常用的齐次泊松过程筛选法和反函数递推法. 数值仿真从频率特性、流量特性、轮廓相似度及与实测数据的接近程度四个方面验证了该模拟方法的正确性.     

非等间隔计时数据的X射线脉冲星周期快速搜索算法

利用X射线脉冲星信号的计时信息实现航天器深空导航具有重要意义,精确的时间模型(周期及周期导数)是获得高精度自主导航的基础.针对X射线光子并非等间隔地到达探测器的特点,在对比分析两种非等间隔数据处理方法(x2量评估方法和Lomb算法)的基础上,提出了用Lomb算法估计脉冲星周期初值,进一步使用x2量评估方法精化周期值的方法.同时运用快速傅里叶变换算法的思想对Lomb算法进行改进,较大地提高了程序的运算效率.最后利用X射线源仿真系统的计时数据对算法进行试验分析,搜索出准确的脉冲星周期和折叠出正确的脉冲轮廓.     

X射线脉冲星自主导航的观测方程

在分析脉冲时间相位模型(pulse timing model)的意义和研究已有观测方程结论的基础上, 对脉冲到达时间(TOA)所含各种效应进行了解析,推导建立了一阶后牛顿近似下光子到达时间转换方程, 与一些作者的结果进行比较讨论; 同时推导出航天器在三种类型轨道下质心坐标时与航天器原时转换公式. 通过程序实现了推导的观测方程对X射线脉冲星空间观测数据处理的功能, 并利用RXTE卫星观测数据进行验算,搜索出正确的脉冲星周期, 折叠出准确的脉冲轮廓,验证了本文观测方程的正确性, 并与Heasoft软件计算结果进行对比分析, 最后分析了脉冲星位置误差与行星历表误差对数据处理的影响. 关键词： 太阳系质心 时间相位模型 Crab脉冲星 引力时延     

高稳定度X射线脉冲星信号模拟

X射线脉冲星导航是一种完全自主的导航方式, 在深空乃至行星际空间具有潜在的工程应用价值.由于空间飞行试验系统复杂, 成本巨大, 在实验室环境下高精度地模拟X射线脉冲星信号对数据处理方法和导航方案的验证具有重要意义. 针对当前机械转盘式模拟系统中时间稳定度和轮廓精度的不足, 提出了一种通过产生的轮廓电压信号直接控制可见光光源, 再利用衰减获得光子流, 最后经单光子探测和处理电路输出光子到达时间序列的模拟新方法.该方法实现成本低, 支持任意X射线脉冲星信号的模拟, 且具有高时间稳定度和轮廓精度. 详细地讨论了该方法的原理和涉及的关键技术, 搭建了X射线脉冲星信号模拟系统, 并进行了实验. 实验结果表明: 该系统大幅提高了X射线脉冲星信号的模拟效果, 将模拟脉冲星自转周期的稳定度从现有的10^-4提高到10^-9; 当探测器面积为1 m², 探测能谱范围为2–10 keV, 积分时间为1200 s时, 模拟的PSR B1509-58 观测脉冲轮廓与标准脉冲轮廓的相关系数达到了0.993. 关键词： X 射线光子信号 时间稳定度 观测脉冲轮廓 导航算法     

基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统研究

为进行X射线脉冲星导航的关键技术研究,搭建了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统.地面模拟系统由模拟X射线脉冲源、基于微通道板的高灵敏X射线光子探测器、电荷灵敏前放和主放电路、时间测量单元、X射线脉冲轮廓构造及X射线脉冲到达时间测量系统组成.该模拟系统可在地面模拟X射线脉冲星导航的星源的强度、周期及脉冲轮廓,实现对X射线脉冲星单光子到达时间的记录,构造X射线脉冲星脉冲轮廓,计算X射线脉冲到达时间.描述了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统的组成和工作原理,报道了基于X射线脉冲星导航的地面模拟系统的初步结果. 关键词： X射线脉冲星导航 微通道板光子探测器 脉冲轮廓     

基于循环平稳信号相干统计量的脉冲星周期估计新方法

讨论了脉冲星的周期估计在脉冲星搜索中的重要性.将脉冲星观测信号建模为二阶循环平稳模型,仿真验证了其合理性.在此基础上,提出了一种基于双谱相干统计量的周期估计新方法,并给出了稳健有效的周期搜索策略以消除其对数据量的敏感性.分别对单脉冲脉冲星(PSR J0437-4715)的实测信号和双脉冲脉冲星(PSR B1821-24)的仿真信号进行了周期估计,实验表明,相比较于常用的傅里叶频谱法,该时域方法直观、有效,在低信噪比情况下仍具有很好的性能,且适用于非连续观测数据.尽管方法运算量较大,但仍然可为微弱脉冲星的周 关键词： 脉冲星 脉冲星搜索 周期估计 循环平稳信号     

一种基于自相关的激光脉冲编码信号解码方法

激光脉冲编码是半主动激光制导武器采用的一种抗干扰措施,为满足半主动激光制导武器光电对抗的需要,以激光信号的脉冲到达时间(TOA)为参数,依据激光脉冲编码信号的时间相关性,提出了一种通过首先对由脉冲到达时间组成的脉冲到达时间序列作自相关处理,计算出信号的重复周期,然后再在一个信号周期内,通过确定脉冲重复间隔的时间值、个数和位序来鉴别信号码型,从而实现信号解码的方法。阐述了该解码方法的原理及实现。原理实验和数字仿真实验证明,对于当前半主动激光制导武器采用的大多数激光脉冲编码信号,采用该解码方法,一般在4个信号周期时间内就能实现解码。     

基于Bayesian估计的X射线脉冲星微弱信号检测

累积轮廓、流量和周期是X射线脉冲星辐射信号的三个重要特征,将其应用于X射线脉冲星信号检测中,提出了一种基于Bayesian估计的X射线脉冲星周期辐射信号时域检测方法.该方法以非脉冲区噪声观测为先验知识,利用X射线脉冲星辐射信号的泊松分布模型推导了信号概率密度分布函数,以该函数的累积分布函数为判据,对X射线脉冲星微弱信号进行检测,并提取位相偏移量.利用仿真数据和RXTE卫星的实测数据进行实验验证,结果表明:本文方法性能优于同类的基于高斯分布模型的检测方法,在检测信号的同时能在一定精度下给出信号位相偏移值. 关键词： 脉冲星 Bayesian估计 位相测量 时域检测     

具有多物理特性的X射线脉冲星导航地面验证系统

导航地面验证是X射线脉冲星导航研究必不可少的环节.针对导航算法验证需要真实连续的脉冲星信号的需求,同时避免X射线调制及探测难度大、成本高的问题,提出了一种基于可见光源的X射线脉冲星导航地面验证系统.该系统利用太阳系质心处脉冲星信号模型和航天器轨道信息,建立航天器处实时光子到达速率函数,再通过硬件系统转换成电压信号,利用该电压控制线性光源输出,最后经衰减、探测及甄别后获得航天器处的实时光子到达时间序列.该时间序列不仅具有导航脉冲星的轮廓特性、自转特性,还包括空间传播时间效应及宇宙X射线背景.本系统利用半物理装置对可见光进行调制及衰减,实时判断轨道各位置处导航脉冲星的可见性,实现X射线脉冲星信号传播过程的模拟.该系统提供四路可控输出信号,支持多种导航模式的验证.仿真系统的性能分析和功能验证结果表明,该系统具有良好的性能,可提供真实便捷的地面验证环境.     

多谐波脉冲星信号时延估计方法

针对脉冲星导航技术中延时估计这一关键问题, 提出了频域上直接使用脉冲星信号测量到达时间集合进行时延估计的方法——多谐波脉冲星信号时延估计(MHSPE)方法. 该方法建立在频域上相位时延的极大似然估计的基础上, 通过高次谐波对脉冲星观测信号提取出各谐波相位的极大似然估计, 然后取频谱上各谐波的幅值进行归一化作为各谐波相位的权值, 最后取各谐波相位的加权平均作为该时刻的相位估计. 理论上证得MHSPE算法对相位的估计是无偏、一致的, 相比于频域上一次谐波的极大似然估计, MHSPE方法的信噪比随谐波数m的增加而增加, 当各谐波幅值相同时, 信噪比可提高m_1/2倍; 与脉冲星信号时延的克拉美罗界比较, 脉冲星信号时域的导数在频域上的反映就是各谐波分量的数量, 因此随着谐波次数的增加脉冲星信号时延估计可极大趋近克拉美罗界. 采用RXTE航天器对Crab脉冲星的实测数据检验MHSPE方法的性能, 实验结果表明, 针对低信噪比的脉冲星信号, MHSPE可获得高精度的相位估计, 随观测时间增加, 估计精度快速收敛于克拉美罗界.     

Fleet algorithm for X-ray pulsar profile construction and TOA solution based on compressed sensing

X-ray pulse profile and time of arrival (TOA) are the two important physical quantities for pulsar navigation. With the standard and integrated X-ray pulse profiles modeled, X-ray pulse profile construction is studied and TOA is solved using compressed sensing (CS) technology. The observation matrix and waveform complete dictionary are mainly examined. A column vector-based matching pursuit algorithm is presented. The feasibility of obtaining X-ray pulse profile construction by compressed sensing technology is verified by numerical simulation. Compared with the X-ray pulse profile construction method based on epoch folding, the proposed method exhibits improved real-time performance, and its detection time for integrated X-ray pulse profile could be reduced by one order of magnitude. This proposed method can also solve for TOA solution and construct the X-ray pulse profile simultaneously, which is essential to improve pulsar navigation efficiency.     

一种基于最优频段的X射线脉冲星累积轮廓时延估计方法

为提高X射线脉冲星导航中累积脉冲轮廓的时间延迟估计精度, 分析了X射线脉冲星累积脉冲轮廓的频谱特性和现有Taylor快速傅立叶变换时延估计算法的缺陷, 提出了一种基于最优频段的累积轮廓时延估计算法, 并通过建立不同信噪比下时延估计误差与所采用频段之间的关系以确定最优频段. 数值及实测数据实验结果表明: 在短时观测或光子流量较小时, 该算法优于常用的近似最大似然 (FAML)、相关 (CC)、最小二乘 (NLS) 及加权最小二乘 (WNLS) 方法; 在观测时间较长或光子流量较大时, 该算法的估计精度与CC及NLS方法相当, 但其运算量低于NLS, FAML 及WNLS方法. 本文所提算法适用于短时观测脉冲轮廓或低流量脉冲星的高精度时延估计.     

X-ray photon-counting detector based on a micro-channel plate for pulsar navigation

The pulse time of arrival (TOA) is a determining parameter for accurate timing and positioning in X-ray pulsar navigation. The pulse TOA can be calculated by comparing the measured arrival time with the predicted arrival time of the X-ray pulse for pulsar. In this study, in order to research the measurement of pulse arrival time, an experimental system is set up. The experimental system comprises a simulator of the X-ray pulsar, an X-ray detector, a time-measurement system, and a data-processing system. An X-ray detector base is proposed on the basis of the micro-channel plate (MCP), which is sensitive to soft X-ray in the 1–10 keV band. The MCP-based detector, the structure and principle of the experimental system, and results of the pulse profile are described in detail. In addition, a discussion of the effects of different X-ray pulse periods and the quantum efficiency of the detector on pulse-profile signal-to-noise ratio (SNR) is presented. Experimental results reveal that the SNR of the measured pulse profile becomes enhanced as the quantum efficiency of the detector increases. The SNR of the pulse profile is higher when the period of the pulse is smaller at the same integral.     

X射线脉冲星导航半物理仿真实验系统研究

由于费用巨大,X射线脉冲星导航初步研究阶段不可能进行空间搭载实验.为此,文章设计了一种X射线脉冲星导航半物理仿真实验系统.该系统由脉冲星信号模拟部分和导航参数解算部分组成.模拟部分采用非齐次泊松过程对光子到达太阳系质心的时间建模,时间转换后,模拟X射线探测器观测脉冲星时输出的脉冲信号.导航参数解算部分利用Delta-Correction方法解算模拟信号中蕴含的导航信息.该系统可同时模拟4颗脉冲星信号,成本低,精度高,可对脉冲星导航的信号处理和参数解算过程进行光子级仿真研究,并为后续空间搭载实验中原理样机的设计提供一定的参考. 关键词： X射线脉冲星 导航 仿真实验系统 非齐次泊松过程     

基于两级压缩感知的脉冲星时延估计方法

为了快速获得高精度的脉冲星累积脉冲轮廓时延估计,提出了一种基于两级压缩感知的时延估计方法.压缩感知主要包括三个部分:字典、测量矩阵、恢复算法,其中字典尺寸是影响压缩感知估计精度的重要因素.针对压缩感知中字典的原子数增加虽能提高估计精度但又带来计算量大的问题,该方法采用粗估计与精估计两级字典相结合,先利用粗估计字典原子间隔大的特点进行累积脉冲轮廓全相位估计,得到预估时延值,再利用精估计字典的原子间隔小且个数少适合局部估计的特点对累积脉冲轮廓进行精确时延估计.理论分析与实验结果表明:两级字典数据量比传统字典小两个数量级,在相同的时延估计精度下,该方法比传统压缩感知方法计算量大幅度减少,是一种能保持高估计精度并有效降低计算量的脉冲星时延估计方法.     

一种脉冲星周期的时域估计新方法

脉冲星信号的周期估计在脉冲星搜索、观测以及定时研究中具有重要作用.在分析脉冲星周期频域识别方法的基础上,基于脉冲星观测信号的二阶循环平稳模型,提出了一种周期估计的时域新方法-----最大相关方差搜索法.通过对观测信号按假定周期(可变)分组,计算分组后不同时刻的相关系数,进一步得到系数的方差,然后寻找不同周期下的方差最大值,即可得到脉冲星的辐射周期估计.分别对单峰脉冲星(PSRJ0437-4715)的实测信号、双峰脉冲星(PSRB1821-24)的仿真信号以及ATNFEPN数据库中的多颗脉冲星数据进行了周期估计,均得到了令人满意的结果.对众多脉冲星的计算结果表明,与傅里叶频谱法相比,该时域方法对噪声不敏感,尤其在低信噪比情况下仍表现出较优越的性能;与双谱相干统计量方法^[6]相比,运算复杂度更低;尽管其在处理非连续观测数据时能力不足,但仍然可为微弱脉冲星的实时周期估计提供有力参考.