空间X射线观测确定脉冲星星历表参数精度分析

脉冲星星历表维持着脉冲星导航所需的时空基准, 其精度直接影响着航天器导航定位结果, 是脉冲星导航系统的基本要素. 本文分析了脉冲星空间观测精度的估计方法, 探索性地研究了基于空间X射线观测获取星历表参数的可行性. 通过建立星历表参数拟合模型, 采用大样本重复事件仿真分析了空间X射线观测精度, 研究了星历表参数确定精度与观测精度、观测时间及观测频次的关系. 研究结果表明, 空间X射线观测可以确定脉冲星星历表参数, 但受限于脉冲星信号特征及探测器技术水平, 当前高精度导航用脉冲星星历表难以通过空间X射线观测手段获得, 可通过地面射电观测技术较好地建立与维持, 提出了推进我国大口径射电望远镜建设的建议.     

脉冲星自主天文导航概述

脉冲星因其具有良好的周期性,成为了非常良好的天文导航信号源,经过多年的观测分析,大量脉冲星的基本观测量已经被精确测定,通过理论模型分析,脉冲到达时间可以作为导航滤波的基本观测量,能提供时间与空间位置信息,因此,脉冲星可以为近地轨道和深空探测提供导航信息,从而替代传统的GPS导航定位以及深空网导航。介绍了脉冲导航的发展历程、脉冲星导航基本原理以及脉冲星导航系统实现框架与应用,并对脉冲星导航系统的进一步发展的难点进行有效分析。     

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     

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.     

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.     

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     

基于符合计数的极弱光强度关联干涉测量研究

实现脉冲星导航首先需要对脉冲星进行高精度测量,而脉冲星辐射的X射线相干时间极短,到达卫星探测器的光通量极低,必须在极弱光条件下实现强度关联探测来获取脉冲星信息。针对这一问题,使用可见光模拟源进行了强度关联干涉测量实验研究,获取二阶干涉条纹并得到了对应的角直径,分析了符合计数对测量误差的影响,以及探测系统的空间和时间分辨率对强度关联干涉测量结果的影响,为脉冲星X射线强度关联探测系统硬件参数的选取提供了依据。     

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     

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.     

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.     

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     

地表反照光对天基空间目标的成像影响

天基空间目标观测时, 在对空间目标的可见光特性提取的过程中, 随着其姿态的不断变化, 存在太阳光照射不到目标表面、或是在某一特定位置由于目标的强烈反射导致太阳光照度不均匀的情况. 针对这些问题, 分析了在可见光和近红外波段空间目标表面的光照特性, 提出了利用地表反照光作为天基空间目标成像辅助照明光源的思想, 给出了一种精确的建模方法. 基于漫反射模型建立了地表反照光在空间目标表面的照度计算方法, 借助satellite tool kit卫星工具软件获取太阳、目标的坐标, 省去了以往方法中烦琐的矩阵相乘和坐标转换过程; 对任意时刻的地表有效反照区域给出了判断, 引入对地球表面进行网格划分的方法, 对划分后的每一个面元均匀采样, 通过数值积分可计算出整个有效地表反照区域的地表反照辐射. 以某天基成像任务中的太阳同步轨道卫星为例, 就地表反照光对目标的光照情况进行仿真, 计算得出卫星在经过北极上空时可以利用地表反照光作为辅助光源这一重要结论. 仿真结果验证了建模方法的正确性.     

脉冲星脉冲轮廓累积的最小熵方法

获取脉冲星辐射信号累积轮廓的传统方法是先识别信号周期,再按周期对信号进行折叠累加,这种方法依赖于周期识别的准确性,对累积轮廓质量也无评价标准.本文分析了脉冲星累积轮廓和周期的强相关性,提出了周期未知时直接进行轮廓累积的最小熵方法,并对其进行证明,在此基础上,讨论了该方法在周期识别中的作用.利用仿真数据和RXTE卫星的实测数据实验验证了该方法的有效性. 关键词： 脉冲星 最小熵 累积轮廓 周期识别     

Methods of rapid orbit forecasting after maneuvers for geostationary satellites

A geostationary (GEO) satellite may serve as a navigation satellite, but there is a problem that maneuvers frequently occur and the forces are difficult to model. Based on the technique of determining satellite orbits by transfer, a predicted orbit with high accuracy may be achieved by the method of statistical orbit determination in case of no maneuver force. The predicted orbit will soon be invalid after the maneuver starts, and it takes a long time to get a valid orbit after the maneuver ends. In order to improve ephemeris usability, the method of rapid orbit forecasting after maneuvers is studied. First, GEO satellite movement is analyzed in case of maneuvers based on the observation from the orbit measurement system by transfer. Then when a GEO satellite is in the free status just after maneuvers, the short arc observation is used to forecast the orbit. It is assumed that the common system bias and biases of each station are constant, which can be obtained from orbit determination with long arc observations. In this way, only 6 orbit elements would be solved by the method of statistical orbit determination, and the ephemeris with high accuracy may be soon obtained. Actual orbit forecasting with short arc observation for SINOSAT-1 satellite shows that, with the tracking network available, the precision of the predicted orbit (RMS of O-C) can reach about 5 m with 15 min arc observation, and about 3 m with 30 min arc observation. Supported by the National High Technology Research and Development Program of China (Grant No. 2006AA12Z322), the National Basic Research Program of China (Grant No. 2007CB815503), and the West Light Program of Chinese Academy of Sciences (Grant No. 2007LH01)     

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.