X射线脉冲轮廓稳定性对导航精度的影响

X射线脉冲星具有广阔的导航应用前景,稳定的脉冲轮廓是自主导航的基础,然而在X射线脉冲轮廓的稳定性及其对导航精度的影响方面一直缺乏系统的研究.采用Pearson相关系数、标准偏差及功率谱熵三组指标量化脉冲轮廓的稳定性.利用罗西X射线计时探测器卫星X射线段(2—16 keV)11年的观测资料,统计了包括周期跃变在内的Crab脉冲轮廓稳定性.在此基础上,引入Cramer-Rao理论建立了脉冲轮廓稳定性对距离测量误差影响的数学模型,并通过分析各误差因素确定脉冲轮廓稳定性对距离测量误差的影响范围.实测数据处理表明,Crab脉冲星的X射线脉冲轮廓具有极高的稳定性,跃变期间脉冲轮廓无明显变化,脉冲轮廓的稳定性导致沿脉冲星方向上产生34 m±25 m的距离测量误差.     

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     

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.     

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.     

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.     

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.     

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     

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.     

X射线脉冲星导航系统导航精度的研究

为提高X射线脉冲星导航系统的导航精度,提出了一种基于低通滤波器的恒比定时方法,以提高X射线脉冲星导航系统中X射线脉冲到达时间的测量精度.通过设计测量方案,对原有的峰值定时方法和改进后的恒比定时系统的定时精度和死时间进行测量.测量结果表明,峰值定时系统的定时精度和死时间分别为18和4750 ns,恒比定时系统的定时精度和死时间分别为0.78和105 ns,与原有的峰值定时系统相比,采用恒比定时系统的定时精度和死时间均得到明显的提高.在X射线脉冲星导航系统中,通过利用这两种不同定时系统来测量X射线光子的到达时间以构造累积脉冲轮廓.实验结果表明,与峰值定时系统相比,采用改进的恒比定时系统获得的累积脉冲轮廓的信噪比得到明显改善,因此,采用恒比定时系统的导航精度可得到提高.     

X射线脉冲星导航系统模拟光源的研究

介绍了X射线脉冲星导航地面模拟光源研究的必要性及非伺服的机械调制方法所存在的问题和缺陷, 提出了基于栅控X射线球管的X射线脉冲星辐射脉冲模拟方法, 通过电子光学设计计算, 对栅控X射线管的电极结构进行设计优化, 研制了栅控X射线管和脉冲星模拟光源装置.实验测试了栅控球管的性能, 测试结果与理论计算结果基本相符, 实现了对X射线的调制; 通过基于FPGA的直接数字频率合成方法, 产生脉冲星的任意形状脉冲轮廓电压信号, 加载至球管控制栅极, 并对其出射脉冲轮廓进行测试, 结果表明产生的X射线脉冲轮廓逼真程度在95%以上, 模拟源频率稳定度约为2×10^-11. 关键词： 脉冲星导航 X射线球管 栅极控制     

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     

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     

一种脉冲星信号模拟新方法

在脉冲星导航地面实验中,为解决地面无法接收脉冲星辐射的X射线信号的问题,必须在实验系统中模拟脉冲星辐射信号. 本文提出两种全新脉冲星信号模拟方法. 第一种方法基于统计物理模型,该方法克服了常用泊松模型模拟方法中仿真适应性窄、仿真速度慢和时间分辨率低等不足,实现了对任意随机过程的脉冲信号进行快速高时间分辨率的仿真;第二种方法基于优化统计模型,该方法针对非齐次泊松过程信号的特性进行优化,仿真速度比常用泊松模型模拟方法提高至少30 倍,对于低流量脉冲星,甚至提高4个数量级,可实现纳秒级时间分辨率仿真. 关键词： 脉冲星导航 非齐次泊松过程 X射线光子信号     

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.