基于TOA信息的脉冲星信号周期估计方法

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.     

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.     

X射线脉冲星导航动态模拟实验系统研制与性能测试

本文设计了一种半实物实验系统,能模拟出航天器在地球轨道及深空飞行时接收脉冲星周期X射线信号的情形.该系统主要由动态信号数据库、X射线模拟源、真空系统和探测系统组成.模拟源可以模拟出任意波形的脉冲轮廓,探测系统的时间分辨率优于2μs,通过分析时间转化模型给出了动态信号生成方法.实验模拟了航天器在近地轨道飞行一周接收Crab脉冲信号,将采集的光子到达时间转换到太阳系质心时后累积脉冲轮廓与标准轮廓相关度为0.9882.     

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.     

基于双谱的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量

为提高脉冲星辐射脉冲到达时间的测量精度,提出了基于双谱的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算法.理论上,双谱可以完全抑制加性高斯白噪声.通过进行自双谱与互双谱的比对及求解极值点,推导出时间延迟测量公式.实验结果表明,基于双谱的时间延迟测量算法可以有效抑制高斯白噪声,当累积脉冲轮廓观测值存在噪声项时,基于双谱的累积脉冲轮廓时间延迟测量精度优于泰勒提出的功率谱算法. 关键词： 脉冲星 脉冲到达时间 累积脉冲轮廓时间延迟 双谱     

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     

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.     

微通道板型X射线探测器的脉冲信号探测能力实验分析

为了掌握微通道板探测器的X射线脉冲信号观测能力,利用X射线脉冲星地面实验装置,开展了长时间的不同流强和不同背景噪声强度下的微通道板探测器脉冲信号探测实验,并建立了一套X射线探测器脉冲观测能力评估方法,推导出基于光子计时模式下X射线探测器的脉冲信号信噪比、脉冲轮廓相似度、脉冲到达时间精度和最小可探测功率的关系表达式.实验中,利用面积20cm~2的微通道板探测器开展了8组10 000s的实验,采集到有效观测数据,然后搜索最佳脉冲周期,重构观测脉冲轮廓,估计脉冲轮廓特征参数.实验表明,微通道板探测器具备良好的X射线脉冲信号观测与恢复能力,在较弱脉冲信号强度(光子流量密度为0.05ph/cm~2/s)和较强背景噪声(背景噪声强度是脉冲信号的16倍)下获取观测脉冲轮廓的信噪比、相似度、脉冲到达时间观测精度分别为35.73、88.38%、51.53μs和64.89、89.72%、29.24μs,验证了微通道板探测器具备一定的暗弱X射线脉冲星观测能力,且微通道板探测器的脉冲探测能力随着脉冲信号强度增加、背景噪声强度减弱、累积观测时间增加而提升.     

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。     

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.     

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.     

Study on autonomous navigation based on pulsar timing model

The basic principle of pulsar timing model was introduced, and the general relativistic corrections were analyzed when pulse time of arrival (TOA) was transferred to coordinate TOA at the Solar System Barycentre. Based on the shifting, an iterative method of autonomous position determination for spacecraft was developed. Accordingly, the linear form of the position offset equation was evolved. Using the initial estimated value of spacecraft’s position as the input of pulsar timing equation, through calculation of the offset between measured or transferred and predicted TOA, the position offset can be solved by Least Squares. At last, the main error sources including modeling error and parameters error were discussed. Supported by the National Defence Laboratory Foundation of China (Grant No. 9140C3601010901) and Science Foundation of Shaanxi Province (Grant No. 2007F12) and the Technology Specialism Foundation of Shaanxi Education Department of Shaanxi Province (Grant No. 07JK332), and the Innovative Research Plan of Xi’an University of Technology (Grant No. 105-210714)     

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.     

First results of millisecond pulsar 1937+21 timing by TNA-1500 radio telescope of Special Research Bureau of Moscow Power Engineering Institute

Regular timing observations of the millisecond pulsar PSR 1937+21 at a frequency of 610 MHz by means of the TNA-1500 radio telescope with a fully steerable 64-m antenna have begun at the Bear Lakes Radio Observatory of the Special Research Bureau of the Moscow Power Engineering Institute. A 40-channel spectrum analyzer and a system for high-speed recording and acquisition of observation data are connected to a reference clock by means of CAMAC interfaces and an 80286 control computer. The reception band is 1.6 MHz (40 channels of 40 kHz each). The total noise temperature of the system is on the order of 160 K. The signal-to-noise ratio is on the order of 50 for a 30-min observation of the pulsar. The mean-square error of measurement of the pulse arrival time is 400 nsec. Data on pulsar 1937+21 along with timing results for normal reference pulsars PSR 0834+06 and PSR 1919+21 obtained at the Pushino Radio Observatory of the Lebedev Physics Institute over a period of 13 years will be used to construct a pulsar time scale.Scientific-Research Radio-Physics Institute. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 37, No. 11, pp. 1388–1398, November, 1994.     

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.     

The contribution of the Italian Northern Cross Radiotelescope to the Gamma-Ray Observatory Pulsar Timing Network

Summary The observation of pulsars at gamma-ray energy requires updated pulsar parameters in order to fold the gamma-ray data over time intervals of weeks. The Compton Gamma-Ray Observatory Institute has set up an international agreement including several radiotelescopes and pulsar observers in order to provide a suitable timing support at radio wavelengths. In this paper we describe the system used at the Italian Northern Cross for the pulse timing observations related to the GRO mission. Paper presented at the V Cosmic Physics National Conference, S. Miniato, November 27–30, 1990.     

小波域中的维纳滤波在综合脉冲星时算法中的应用

脉冲星自转非常稳定，可用作时间标准. 然而由单脉冲星定义的脉冲星时受多种噪声源的影响，其频率稳定度还不够好，因此可采取对多颗脉冲星定义的脉冲星时进行综合的方法来削弱各噪声源的影响，以提高脉冲星时的稳定度. 不同的脉冲星有着各自不同的自转频率，在不同频率段所受噪声的影响也不同，应用小波分析的方法对脉冲星时做综合，可以兼顾脉冲星时的长期与短期稳定度，在不同的频率范围取不同的权值以达到更好的结果；脉冲星的计时残差是由计时参考的原子时的误差和脉冲星计时误差两部分引起的，用维纳滤波的方法可以将两者分开，并主要以消除掉参考钟误差后的残差为计时残差实现对脉冲星计时的综合. 在这两种方法的基础上，提出一种基于小波域中的维纳滤波方法，利用小波独有的特性和维纳滤波最小误差估计的优点，更有效地消除噪声对脉冲星时的影响. 实验结果表明，该方法可以有效降低脉冲星计时残差中的噪声影响.     

Measuring clock jumps using pulsar timing

In this paper,we investigate the statistical signal-processing algorithm to measure the instant local clock jump from the timing data of multiple pulsars.Our algorithm is based on the framework of Bayesian statistics.In order to make the Bayesian algorithm applicable with limited computational resources,we dedicated our efforts to the analytic marginalization of irrelevant parameters.We found that the widely used parameter for pulsar timing systematics,the"Efac"parameter,can be analytically marginalized.This reduces the Gaussian likelihood to a function very similar to the Student’s t-distribution.Our iterative method to solve the maximum likelihood estimator is also explained in the paper.Using pulsar timing data from the Yunnan Kunming 40-m radio telescope,we demonstrate the application of the method,where 80-ns level precision for the clock jump can be achieved.Such a precision is comparable to that of current commercial time transferring service using satellites.We expect that the current method could help developing the autonomous pulsar time scale.     

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