基本物理单位定义在空间计量中的讨论

现代计量学原理建立在"欧氏几何的平直空间"、"质量守恒"和"光沿直线传播"等基本物理规律的基础上,但是广义相对论提出的时空弯曲和引力红移理论动摇了计量学的根基。在地球以外的更大尺度宇宙空间中,以及在引力场作用下、考虑物质第四态-等离子体的情况下,需要重新研究基本物理量的定义。时间测量受到了引力红移效应的影响,时钟在不同引力势下的走速不同,导航卫星为实现统一的时间测量,采用相对论公式修正了计时单位;长度单位定义依赖于光速常数和时间测量,同样受相对论效应影响,而且在引力场中光线不沿着直线传播,空间大尺度的距离单位光年定义困难;电压单位由约瑟夫森效应溯源到微波频率,因而也受相对论效应影响;在空间等离子体中电子平均动能(电子温度)与离子平均动能(离子温度)很难平衡。热力学温度单位定义隐含着平衡状态和无序运动的两个条件,在定向粒子流存在的情况下,动态温度的定义是否仅包含无序运动的粒子平均动能;质量单位定义受到质量守恒的质疑,根据爱因斯坦质能公式,质量不是物质固有不变的特性。空间计量是计量学的新领域,在地球以外的大尺度时空中,统一物理单位,确保人类在空间中的测量准确,运用现代科学理论重新定义空间物理量的单位将成为空间计量理论研究的一个发展方向。     

空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式:地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。     

空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式：地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。     

引力探测器-B入轨

引力探测器-B(GP-B)卫星于2004年4月19日发射,基本目的是验证爱因斯坦的广义相对论。爱因斯坦于1915年就提出了广义相对论,认为引力场的存在影响时空的几何形状,这个效应似乎使得空间一时间弯曲。根据这个理论,有两位科学家在1918年通过计算得出结论：一个旋转的大质量物体将缓慢地拖曳其周围的时空,这种效     

光学坐标测量机的搭建与实现CSCD

为了高速高精高效地完成中小型复杂型面零件的测量,基于激光位移传感器和三坐标测量机等搭建了非接触式的光学坐标测量机,从而将测量机和光学测头的优点结合起来以应对空间自由曲面的测量任务。通过测头标定技术获得测量光束所在直线的单位方向向量,进而将激光测头的一维距离值转化为测量光斑的三维坐标值,然后通过坐标系转换将此坐标值转化到统一的测量机坐标系下,进而完成被测曲面三维点云的创建。最后,对一个直径已知的球在10个不同方位进行测量,通过点云数据拟合球面方程得到其直径作为测量结果,所得各次测量结果的误差均小于0.05mm,充分说明所搭建的测量系统的有效性。     

一种惯性测姿装置的校准方法

根据惯性测姿装置的基本原理和组成,将装置的姿态角引出到立方镜的工作面上,提出了一种利用电子 经纬仪进行三维姿态角的校准方法,该方法通过电子经纬仪分别对立方镜的工作面进行测量,再根据姿态角的定义 进行角度转换,从而实现对惯性测姿装置的校准。此外,利用惯性测姿装置进行试验,验证了该校准方法的可行性, 并对校准结果的测量不确定度进行评定。     

星载观测平台的视线测量误差分配

面向光学卫星观测平台的视线测量精度需求,研究了一种基于区间分析理论的误差分配方法.基于先进的卫星、转台、相机结构,建立了惯性系下空间相机与目标间的视线矢量测量模型及测量误差模型.根据区间分析理论,给出了误差灵敏度的评价方法.根据星载观测平台的工作空间,得到了各项误差源在三个轴向上的全域最大灵敏度.以全域最大灵敏度为权重系数,建立了星载观测平台视线测量的误差分配模型,通过遗传算法将13项误差源的可行区间松弛致最大.Monte Carlo仿真验证了该误差分配方法的有效性,该方法也同样适用于机载、车载等观测平台的误差分配研究.     

一种自由曲面视觉测量三维数据拼接方法

提出一种利用标志点构建全局测量控制点的视觉测量三维数据拼接方法.在被测自由曲面上粘贴标志点,并在被测区域放置基线尺,采用1台数码相机在不同视点拍摄标记点和基线尺图像,由此求解数码相机在不同视点的坐标系变换关系.在此基础上,根据立体视觉模型确定标志点三维坐标,转换到全局坐标系下,形成全局测量控制点.视觉传感器在不同位置对各局部区域进行三维扫描,获得局部区域内标志点在局部测量坐标系下的坐标,通过至少3个非共线标志点解算局部坐标系到全局坐标系的变换,从而将实现局部三维数据的拼接.该方法操作简便,适合现场使用.实验结果表明, x,y,z 坐标的拼接误差分别为0.03mm,0.02mm,0.07mm.     

气膜孔轴线方向的视觉测量技术研究

针对高压涡轮叶片气膜孔的轴线方向测量难题,将非接触式的视觉测量技术与常规的多轴坐标测量技术相结合,搭建了气膜孔五轴视觉坐标测量系统,以在气膜孔的测量方法和设备方面开展探索与研究。为了获取被测气膜孔的轴线矢量参数,提出了采用景深合成技术来实现气膜孔形貌的三维重建,并将工业相机获取到的图像序列转化为三维物理数据的测量方法,而后通过空间直线拟合获取到了被测气膜孔的轴线矢量,以表征气膜孔的轴线方向。为了验证该方法的有效性和可行性,选取某型高压涡轮导向叶片作为被测物体,应用该测量系统对其前缘部位上的目标气膜孔进行了轴线矢量参数的10次等精度重复测量试验,轴线角度的重复性测量误差不大于0.30°,从而提供了一种气膜孔轴线方向的测量技术解决方案。     

直线与任意曲线求交算法在晶粒度计算的应用

对于晶粒度测量的计算机化问题,从材料学的角度讨论了其可行性.采用平均直径法对一幅经过处理的晶界图像进行晶粒度计算.基于Freeman码的原理,分析了欧氏空间下与泛欧空间下直线与曲线交点求法的差异性,提出了"伪交点"的概念,在理论上给出了求交的解决方案,同时也从计算机图形学的角度分析了影响计算直线与曲线交点的因素,在算法上也给出了相应的解决方案.最终计算结果和试验结果吻合较好,表明这种方法计算晶粒度快捷有效,可以应用于工程分析.     

我国早期原子钟研制历程回顾

“2019全国时间频率学术会议”是由四个专业委员会联合每两年举办一次的20周年纪念会。20年来，我国原子钟事业已有长足发展，成为世界上原子钟研制与开发的大国。但总体上说，我们的工作还是以跟随为主，真正属于自主创新的较少。不改变这种局面，我们还难以成为独立自主的时间频率强国，为国家经济和国防建设作出应有贡献。本文回顾了我国原子钟研发的情况，提到一些从基础研究上属于原始创新的案例。阐述了这些案例是在简陋的实验条件下依靠对原子钟内各类实验现象进行深入的物理分析基础上出现的。同时，也指出了在比较粗糙的工艺条件下实现精细的技术指标中能工巧匠所起的特殊作用。文章也约略提到国内各单位间无私协作的崇高精神。本文将讲述一些故事，并就原子钟产业的问题表示一点看法。中国要实现“强国梦”，阻力和困难还很多很艰巨，我们必须拥有丰富的原始创新来加以克服。为此，坚韧的奋斗钻研精神和传统仍不失借鉴与继承意义。     

Object injection in geodesic conditions: In-flight and on-ground testing issues

In absence of forces, any object moves along the straightest possible path in space–time, called geodesic. The presence of a gravity field generates a space–time distortion that reflects on a curvature of the geodesics. Outer space yields a privileged environment to achieve high levels of geodesic purity, thanks to the absence of many non-gravitational force disturbances typical of the Earth, mainly due to the atmosphere, micro-seismic activity, stray electro-magnetic fields, etc. Many experiments in the field of Fundamental Physics, General Relativity and Earth Observation are performed through space missions, in which objects are either set in geodesic conditions or their deviation from a geodesic is measured. In both cases, stray non-gravitational forces acting on them must be reduced to a negligible level.     

Gamma astrometric measurement experiment (GAME) – Science case

We report here on the science case of a concept for a satellite orbiting at 1 AU from the Sun and using a baffled Fizeau interferometer to look as close as possible to its limb. This configuration, and the need for looking nearby the Sun, is required for the main scientific driver of the mission, namely the measure of the γ parameter of the Parameterized Post-Newtonian formulation to the 10⁻⁶–10⁻⁷ level at least. This would lead to an accurate test of the General Theory of Relativity against other alternative theories of gravity, and set stringent constraints on some of the most significant issues of Astrophysics like those involving exotic forms of dark matter and dark energy. Exploiting the possibilities offered by the observation strategy, it is also possible to target other interesting scientific goals. One is, again, in the realm of General Relativity and aims at measuring the light deflection nearby the Giant Planets to detect asymmetric effects induced by their quadrupoles, predicted by GR but never measured so far. Others can be found in the observation of selected extrasolar systems where, e.g., the astrometric and photometric capabilities of GAME will help to improve on the knowledge of the brown-dwarf regime and on the search for exo-planets with the transit method, respectively.     

Studies of strong gravitational fields near super-massive black hole horizons with space missions

General relativity (GR) can be probed by several tests in the weak gravitational field limit. On the contrary, very poor information exists about GR tests in strong gravitational fields. Here, we focus on the interaction of light rays with the strong gravitational field of a massive black hole and show that relativistic images may form. Hence, we calculate the shapes of shadows (mirages) forming just near BH horizons and discuss the possibility to estimate the black hole parameters (mass, spin and charge) by future astrometric missions. In 2007, the Radioastron space telescope will be launched and it will allow to evaluate those parameters for the black hole hosted at the center of our Galaxy.     

光纤Sagnac温度传感器信号检测技术

利用光纤Sagnac干涉仪的偏振非互易性PNR(Polarization Non-Reciprocity)可以实现对单温度点的高精度测量.传感头周围温度场的变化引起干涉仪光路中两相干光的相位差变化.通过分析温度传感器的测温原理,得到其输出的线性化模型.采用方波调制解调技术实现了对温度传感器光路系统输出的全数字信号检测.设计了以C8051F060混合信号微控制器为核心的全数字信号检测系统,实现其采样信号和调制信号的相位关系保持.16位高精度模/数转换器的电压采样值通过数字滤波及分段函数解算处理,得到测量温度值的数字输出.这种技术具有实现方便,便于数字化处理及时序控制等优点.通过-15~55℃的全温扫描实验得到的实验数据和理论曲线近乎重合,系统输入/输出成很好的线性关系,线性度达到了10-3量级.实验研究表明这种温度传感器可以实现高精度的温度测量.      

The iron Kα-line diagnostics of the rotating black hole metric in Seyfert galaxies

Observations of Seyfert galaxies in X-ray region reveal the wide emissive lines in their spectra, which can arise in inner parts of accretion disks, where the effects of General Relativity (GR) must be taken into account. A spectrum of a solitary emission line of a hot spot in Kerr accretion disk is simulated depending on the radial coordinate r and the angular momentum a = J/M of a black hole, under the assumption of equatorial circular motion of a hot spot. It is shown that the characteristic two-peak line profile with the sharp edges arises at a large distance (about r ≈ (3–10) r_g). The inner regions emit the line, which is observed with one maximum and extremely wide red wing. We present results of simulations for the isothermal and Shakura–Sunayev disks.     

Space debris observations with the Slovak AGO70 telescope: Astrometry and light curves

The Faculty of Mathematics, Physics and Informatics of Comenius University in Bratislava, Slovakia (FMPI) operates its own 0.7-m Newtonian telescope (AGO70) dedicated to the space surveillance tracking and research, with an emphasis on space debris. The observation planning focuses on objects on geosynchronous (GEO), eccentric (GTO and Molniya) and global navigation satellite system (GNSS) orbits. To verify the system’s capabilities, we conducted an observation campaign in 2017, 2018 and 2019 focused on astrometric and photometric measurements. In last two years we have built up a light curve catalogue of space debris which is now freely available for the scientific community. We report periodic signals extracted from more than 285 light curves of 226 individual objects. We constructed phase diagrams for 153 light curves for which we obtained apparent amplitudes.     

卫星双向时间比对原理及比对误差估算

论述了卫星双向时间比对原理和比对系统中各项系统误差。计算出同步卫星运动导致的时间延迟误差、地球自转效应(Sagnac)误差和地面站设备时延误差。在所有误差项中，地面站户外单元设备是最大的误差来源，这个值与环境温度是强相关的，且存在反比关系，温度系数达到-0.1ns/℃。对此，可通过温度控制或对数据的温度补偿来降低误差。在对所有误差项进行综合计算后，得出比对误差可低于2ns。