面向微角秒精度的脈沖星角位置測量方法研究

發(fā)布時間：2020-06-14 18:21

【摘要】：脈沖星角位置參數(shù)是諸多研究領(lǐng)域的重要基礎(chǔ),如參考架建立、脈沖星計時模型建模、引力波探測和脈沖星導(dǎo)航等。獲取高精度的角位置參數(shù)將推動脈沖星方面的研究工作進入更具實際價值的工程應(yīng)用階段。地面甚長基線干涉測量精度在毫角秒至亞毫角秒量級,由于地球半徑限制、大氣擾動、基線長度和時延估計誤差等因素的影響,其測量精度難以繼續(xù)提高。本文針對現(xiàn)有測量手段對角位置參數(shù)測量精度不足的難題,研究了高精度的脈沖星角位置測量方法。脈沖星角位置測量是在慣性空間基準(zhǔn)下,利用脈沖星輻射信號解算出赤經(jīng)和赤緯參數(shù)的過程。本文研究了基于光子聚束效應(yīng)的X射線脈沖星角位置測量方法。所提方法是利用兩顆或兩顆以上航天器的皮秒量級的觀測數(shù)據(jù),根據(jù)光子聚束原理,采用統(tǒng)計方法高精度的反演脈沖星的赤經(jīng)和赤緯參數(shù)。它涉及脈沖星信號模型、光子聚束、高精度光子到達(dá)時間、時間校正分析、空間基線誤差分析、符合矩陣擬合處理和光子到達(dá)時間仿真等。本文從以上方面開展了研究。首先提出了一種基于光子符合的脈沖星角位置測量方法,該方法利用光子聚束效應(yīng)中光子符合數(shù)目與角位置參數(shù)精度成正相關(guān)的現(xiàn)象,通過相干性測量獲取高精度脈沖星角位置。本文設(shè)計了二階相干函數(shù)計算方法,利用實驗數(shù)據(jù)分析了相干函數(shù)的展寬效應(yīng),提出了X射線脈沖星輻射場相干性測量方案。觀測X射線脈沖星相干性,即符合光子的數(shù)目,需要高精度的角位置參數(shù),據(jù)此設(shè)計了所提方法流程并給出了證明過程。為從符合光子中提取角位置參數(shù),構(gòu)造了符合矩陣,設(shè)計了符合矩陣最大元素所在位置的擬合方法,給出了符合矩陣中主要圖像特征為橢圓或直線兩種情況下的算法和約束方程�？紤]脈沖星自行,推導(dǎo)了角位置變化速率公式,分析了觀測時長的約束條件,給出了任意時刻脈沖星角位置擬合方法。并將所提方法與時延量測角方法進行比較,從理論上表明了所提方法不存在難以收斂的問題。然后從時間校正、光子聚束比例、光子符合精度、位置誤差和航天器軌道夾角等方面,分析了所提方法的影響因素,并進行了仿真。仿真結(jié)果表明:為實現(xiàn)亞皮秒量級的仿真精度需要采用全部航天器處到太陽系質(zhì)心處的時間校正項;航天器處到參考位置處的時間校正公式只需使用幾何、太陽和地球Shapiro時延項即可實現(xiàn)皮秒量級的時間校正;所提方法要求位置誤差小于厘米量級,在高光子聚束比例下,光子符合精度提高1個數(shù)量級對應(yīng)測角精度提高1個數(shù)量級,在低光子聚束比例下,為實現(xiàn)同樣的測量精度需要適當(dāng)降低光子符合精度;航天器軌道夾角和初始位置會影響符合矩陣主要特征圖像的形狀,最好采用三個航天器進行聯(lián)合觀測。最后設(shè)計了高精度的數(shù)值仿真方法,實現(xiàn)了軟件驗證系統(tǒng),并給出仿真結(jié)果。推導(dǎo)了含有自行速度參數(shù)的太陽系質(zhì)心處脈沖星計時模型,通過仿真計算,在30天內(nèi)傳統(tǒng)計時模型的相位精度約在10~(-8)量級。設(shè)計了一種亞皮秒量級的具有二階相干特性的航天器處光子到達(dá)時間仿真方法。以可視化軟件形式實現(xiàn)了數(shù)值仿真驗證系統(tǒng),可進行在軌實驗前的地面驗證。對光子符合角位置測量方法的仿真結(jié)果表明:在光子聚束比例為0.0001,光子符合精度為0.1 ns,總觀測時長為10000 s,航天器和地球位置誤差標(biāo)準(zhǔn)差均為1 cm,使用三個航天器且探測器有效面積均為100 cm~2進行聯(lián)合觀測的情況下,實現(xiàn)了對Crab脈沖星赤經(jīng)的測量誤差小于5個微時秒和赤緯小于32個微角秒的高精度測量。本文所提基于光子符合的測量方法實現(xiàn)了微角秒精度的脈沖星角位置測量目標(biāo),分析了影響因素并進行仿真驗證。該方法比地面甚長基線干涉測量的精度高1到2個數(shù)量級。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V448.2
【圖文】：

貝爾,天文學(xué),對射