基于IPTA数据的毫秒脉冲星综合稳定度评估

利用脉冲星极其稳定的自转频率可以形成一种天文时间基准，部分毫秒级脉冲星的稳定度甚至超越了原子钟，但其观测稳定度易受多种噪声源的影响。一般来说，不同的脉冲星的噪声大部分是相互独立的，因此可以通过加权综合和滤波算法构建综合脉冲星时，有效去除计时残差中的噪声。针对此问题，采用10颗毫秒级脉冲星的国际脉冲星计时阵列（international pulsar timing array, IPTA）数据进行了稳定度评估分析，其中7颗脉冲星的观测数据长度在10年以上。综合考虑单颗脉冲星稳定度评估的结果和观测数据的长度后，筛选出了4颗脉冲星用于构建综合脉冲星时。同时对比了经典加权算法、小波分解算法和维纳滤波算法的综合脉冲星时稳定度结果。结果表明：脉冲星的长期稳定度优于短期稳定度，2颗脉冲星在1年处稳定度达10-15量级，8颗在1 000天处也达到了10-15量级，其中PSR J1600-3053在5年处稳定度达到了最佳，为7.023×10-16 。此外，三种算法中，维纳滤波建立的综合脉冲星时稳定度最佳，在5年处达到了1.502×10-15，优于参与构建的其他所有脉冲星的5年稳定度。     

面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想

深空基准是进入、利用和控制太空的基础，X射线望远镜是构建脉冲星深空基准的重要观测设备。首先，论述了脉冲星计时在深空基准建立中的作用，定性分析了毫秒脉冲星空间观测对X射线望远镜的需求，系统总结了X射线望远镜的国内外技术现状及发展趋势；其次，针对X射线毫秒脉冲星观测中脉冲信号弱而非脉冲信号及空间弥散本底较强的特点，提出了利用毫秒脉冲星高分辨率成像观测抑制非脉冲噪声的方法，并初步设计了一种高分辨率低噪声X射线望远镜；最后，分析了不同的脉冲信号流量、非脉冲信号流量、角分辨率及单次镜片反射效率分别对聚焦成像型、聚焦非成像型和准直非成像型X射线望远镜脉冲星观测信噪比的影响，发现聚焦成像型X射线望远镜在弱脉冲信号和强非脉冲信号流量下具有较好的探测能力。同时计算结果表明：在相同条件下，聚焦成像型望远镜对5颗导航脉冲星的探测灵敏度，比美国中子星内部组成探测器（NICER）的X射线计时仪器（XTI）有不同程度的提高。可见，设计的聚焦成像型X射线望远镜，能够有效地提高毫秒X射线脉冲星的观测能力，能为国家综合定位导航授时（PNT）及深空基准体系的建设提供硬件支持。     

5颗导航用X射线脉冲星计时分析

脉冲星计时特性分析是开展脉冲星导航和脉冲星时研究的基础，为其提供了精确的脉冲星计时模型参数和辐射特征。本文在系统总结脉冲星计时分析方法的基础上，选择了当前导航中应用最广泛的5颗脉冲星，并利用国内外在轨X射线观测卫星的最新观测数据对其分析，包括：“慧眼”硬X射线调制解调望远镜（HXMT）针对Crab脉冲星和PSR B1509-58的观测，中子星内部结构探测器（NICER）针对PSRs J1821-2452A、J1939+2134和J0030+0451的观测。通过对“慧眼”HXMT和NICER在2017-2021年高精度计时观测数据的分析，获得了较长时间段内脉冲星最新状态的自转特性和物理信息，一方面给定了脉冲星最新的、覆盖时间长、自转参数精度较高的X射线星历，证明在X射线波段也可独立给出较高精度的星历；另一方面建立了它们清晰显著的积分脉冲轮廓，其中在选定的能量段范围内3颗毫秒脉冲星的轮廓是当前最精确的，可为脉冲星导航研究提供最新的标准模板。本文仅对脉冲星的X射线数据进行了分析，未来利用国内外多个望远镜，开展多波段联合计时分析，将是脉冲星计时研究的重要方向。     

基于实测星载原子钟数据的脉冲星守时方法

利用脉冲星估计星载原子钟钟差是实现卫星自主守时的途径之一。为充分分析基于脉冲星的自主守时系统性能，利用实测的星载原子钟钟差数据和中子星内部组成探测器(neutron star interior composition explorer, NICER)的PSR B1937+21脉冲星的观测数据，对比分析了星载原子钟和脉冲星的误差特性。设计了脉冲星守时系统框架和星载原子钟钟差估计方法。以实测的星载原子钟钟差数据为基础，计算分析了脉冲星守时系统的性能。计算结果表明，若脉冲星的脉冲到达时间（time of arrival, TOA）解算精度为1 μs/30 d，则原子钟钟差估计精度可达到优于1 μs的水平，初步验证了脉冲星守时系统的可行性。     

利用Crab脉冲星X射线观测校准星载原子钟频率

为了改善星载原子钟长期的时间保持能力，并提高其自主性，利用XPNAV-1卫星观测的Crab脉冲星数据研究了驾驭星载原子钟频率的方法。在X射线脉冲星计时处理中，利用高斯核回归的方法平滑了脉冲星轮廓，可以有效提高脉冲轮廓的信噪比(SNR)，从而提高了计时精度。通过仿真记录光子到达时刻的参考钟存在频率偏差，分析了参考钟频率偏差对脉冲星拟合前计时残差的影响，基于此给出了脉冲星校准星载原子钟频率的方法。对于存在10^-11量级频率偏差的星载钟，1个月左右的Crab脉冲星数据可以获得相对误差约40%的频率校准精度。利用更长时间跨度的脉冲星计时数据，预期可以进一步提高星载钟的频率校准精度。     

基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位方法

受X射线脉冲星导航技术的启发，提出了一种基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位新方法，即利用人造信标模仿脉冲星发送高稳定性高信噪比X射线脉冲信号为航天器提供定位服务。首先介绍了仿脉冲星X射线信标基于三球交汇的定位原理，在分析X射线信标信号覆盖范围与天体引力摄动的影响的基础上，提出了在太阳系行星轨道中的拉格朗日点布置X射线信标的方案。其次，分析论证了人造辐射源的可行性，并基于优选脉冲星准则并结合实际脉冲星特征对辐射源参数进行初步优化。然后针对将来可能的地火转移任务需要，结合航天器动力学模型构建了基于X射线信标的观测方程，采用扩展卡尔曼滤波方法，研究了X射线信标几何分布、观测误差、信标数量、钟差及轨道误差对于航天器位置确定精度的影响。仿真结果表明，在同时观测3颗信标、TOA(Time of Arrival)测量精度为50 ns的条件下，该方法的航天器位置估计精度可达152 m，并且大部分信标组合都能将定位误差控制在1 km内。增加观测信标数量对定位精度较低信标组合的提升显著，但由于太阳系各行星间轨道倾角较小，地火转移轨道航天器同时观测5颗信标时定位误差仍在百米量级。根据深空探测领域航天器的实际...     

基于卫星实测数据的X射线脉冲星导航体制验证

介绍了X射线脉冲星序贯观测导航体制和脉冲星导航基本原理。提出了基于卫星实测数据的脉冲星导航基本观测量处理方法。针对中国首颗大型天文卫星“慧眼”（Insight-HXMT）的能粒子探测器载荷观测的原始观测数据，给出了导航观测量处理精度结果。同时将卫星精密定轨星历作为标称轨道，与X射线脉冲星导航定位结果进行对比，得出了Insight-HXMT卫星数据的X射线脉冲星导航精度约为10 km的结论。最后，针对实测数据导航结果讨论了本次试验的不足并给出了未来脉冲星导航试验的建议。     

基于等光子分布的变封装段脉冲星轮廓恢复方法

现有脉冲星轮廓恢复方法多基于等封装段（bin）间隔分布策略折合观测轮廓，导致信号处理结果会受到封装段的限制，难以兼顾恢复轮廓的信噪比（SNR）以及脉冲到达时间（TOA）的计算精度。针对这一问题，结合脉冲轮廓波形不同区域对信号处理结果的影响，根据完整观测信息，对基于等光子分布策略、变封装段的轮廓恢复方法进行了研究。同时，为能直接构建最佳的脉冲观测轮廓，同时考虑了变封装段间隔及封装段数的优化策略，利用信息准则对轮廓恢复的最佳折叠bin数进行了分析，摆脱人为经验选取问题。仿真结果表明：与传统方法相比，应用提出的变封装段轮廓恢复方法能准确恢复出与模板轮廓高度相似的脉冲星观测轮廓，在观测数据充足的情况下，信号处理过程相位差计算精度能提高25%以上；观测数据不充足时或对于毫秒脉冲星，方法具有明显优势，恢复轮廓的波形特征更加突出，与模板的相似度指标提升3%～7%左右，相位差计算精度的提升能达到接近50%。因此，研究的基于等光子分布策略的变封装段脉冲星轮廓恢复方法原理及实现简单，适用于实际工程应用，能有效提高脉冲星信号处理精度。     

GNSS驯服芯片级原子钟方法研究CSCD

芯片级原子钟是一种体积小且功耗低的高精度时钟源,具有广泛的用途。针对这一特点,设计了基于GNSS的芯片级原子钟驾驭算法。以GNSS系统时作为参考,测量芯片级原子钟与GNSS系统时间的钟差,并对芯片级原子钟进行钟差建模,获取其特征参数。通过乒乓法计算出钟驾驭调整量,对芯片级原子钟进行控制,最终将芯片级原子钟驾驭到GNSS系统时间上。经过实验验证,在驾驭时间常数为100s的情况下,芯片级原子钟与GNSS系统时间的时钟同步误差在-7.5~7.5ns之间;1h频率准确度为5.8×10-13;平均时间为10000s时的频率稳定度为3×10-13。     

“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证

X射线脉冲星导航真实运行场景的模拟验证手段尚不够完善，限制了导航和探测理论的发展及工程化应用的实现。提出了基于脉冲星辐射特性和航天器轨道模型的X射线脉冲星动态信号模拟方法，设计了能实现多种实验场景模拟的X射线脉冲星模拟源，并根据脉冲星辐射特性构建了“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航地面实验系统，可以高质量复现脉冲星导航空间运行场景。设计了静态及动态不同类型的实验对实验系统的性能进行了验证测试，针对PSR B0531+21、PSR B1937+21两颗脉冲星，开展了静态模拟实验，获得的脉冲轮廓相似度分别为99.5%、99.1%；开展了200 km轨道高度的动态近地圆轨模拟实验，PSR B0531+21、PSR B1937+21的周期测试值和理论值的偏差分别为38 451、350 ps，还原到SSB(Solar System Barycenter)处的轮廓相似度分别为99.86%、99.99%。实现了椭圆轨道的超实时仿真实验，仿真时长可压缩50%，轮廓相似度为99.89%。实现了基于霍曼变轨模型的轨道机动模拟，周期变化的测试值与理论值的偏差标准差为637 ps。该地面实验系统性能稳定，可以满足不...     

综合脉冲星时研究进展

脉冲星计时分析方法包括广义最小二乘法和贝叶斯方法。在分别介绍这2种分析方法的基础上，概括描述综合脉冲星时算法与研究结果。目前，已经建立并在研究工作中实际采用的综合脉冲星时（EPT）算法，主要包括基于TEMPO2软件包的广义最小二乘算法（频率分析法）、贝叶斯算法和维纳滤波算法。给出了采用不同算法的具有代表性的综合脉冲星时研究结果。基于国际脉冲星计时阵（IPTA）长期计时观测资料，综合脉冲星时研究结果表明，以国际原子时（TAI）为参考，采用不同算法得到的综合脉冲星时EPT-TAI，都能够检测到TAI的系统误差TT-TAI。以地球时（TT）为参考还可以得到综合脉冲星时EPT-TT。以所提出的改进维纳滤波算法得到的综合脉冲星时EPT-TAI为例，其频率稳定度分析表明，综合脉冲星时EPT-TAI基本不存在红噪声，在8年以上的频率稳定度略优于原子时TT-TAI。而综合脉冲星时EPT-TT频率稳定度略优于EPT-TAI。与综合脉冲星时不同，消除二次项的原子时TT-TAI的频率稳定度存在明显低频红噪声。最后，总结3种综合脉冲星时算法的各自特征，讨论关于改进综合脉冲星时短期频率稳定度等问题，并给出脉冲星...     

基于融合处理多系统接收机钟差的伪距单点定位算法研究

多模导航定位较高的定位条件(需可见卫星总数大于5颗)限制了其在城市等卫星遮挡较严重的地区充分发挥多系统的优势。基于Kalman滤波,提出一种将多系统接收机钟差融合为一个系统接收机钟差的多模伪距单点定位数据处理算法,解决了多模导航定位在可见卫星数少于6颗大于3颗时无法定位的情况。分析了GPS、北斗和GLONASS三系统一天的观测数据,结果表明,多系统接收机钟差融合后只需可见卫星总数大于3颗即可进行多模伪距单点定位。     

导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题

脉冲星具有很高自转稳定性，利用一组统一参考系统下的脉冲星星历表所构建的高精度时空基准，可对飞行器进行自主导航。目前国内尚未观测给出统一参考下的导航脉冲星星历表，国际上已发布的导航脉冲星星历表是在不同参考系统下建立的，无法直接用于构建时空基准，将影响我国近期开展空间脉冲星导航试验。针对没有原始计时观测数据的情况，提出通过模拟计时观测数据，拟合获得新参考系统下的星历表，实现一组导航脉冲星星历表的参考系统统一。最后分析了基于该方法不同参考下的星历表转换精度，其中，DE200转换为DE436后，脉冲星TOA一年内预报值最大偏差由86.6μs减小为2.3μs。TT(TAI)转换为TT(BIPM15)后，TOA一年内预报值最大偏差由0.326μs减小为0.062μs。基于TEMPO2中transform插件可实现不同参考坐标时下星历表精准转换，转换误差小于6 ns，可忽略不计。参考系统DE421/TT(TAI)/TDB转化为DE436/TT(BIPM15)/TCB后，TOA一年内的预报最大偏差降低为0.047μs。     

时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法研究

针对卫星信号受到遮挡或者干扰、卫星接收机收星数不足的问题,提出了一种时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法。通过正常紧组合状态下的钟差、钟漂估计值建立钟差和钟漂的数学模型,在可见卫星少于4颗时,用时钟模型计算得到的钟差和钟漂作为系统钟差、钟漂的真实值引入观测信息中,并省去状态变量中的钟差和钟漂项,增加了系统的可观测性。最后,通过采集跑车试验数据进行了离线数据仿真试验。试验结果表明,提出的时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法在可见卫星不足的情况下取得了良好的效果。     

时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法研究

针对卫星信号受到遮挡或者干扰、卫星接收机收星数不足的问题,提出了一种时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法。通过正常紧组合状态下的钟差、钟漂估计值建立钟差和钟漂的数学模型,在可见卫星少于4颗时,用时钟模型计算得到的钟差和钟漂作为系统钟差、钟漂的真实值引入观测信息中,并省去状态变量中的钟差和钟漂项,增加了系统的可观测性。最后,通过采集跑车试验数据进行了离线数据仿真试验。试验结果表明,提出的时钟模型辅助的惯性/卫星紧组合导航算法在可见卫星不足的情况下取得了良好的效果。     

X射线脉冲星导航的最优观测周期确定

最优观测周期的确定对脉冲星导航计算具有重要意义。首先推导了航天器处观测脉冲相位估计方差的理论下界，然后给出了观测脉冲相位估计误差与脉冲星观测周期之间的关系式，并以观测脉冲相位估计的均方误差最小为准则，给出了最优观测周期的近似计算公式，最后利用脉冲星PSR B0531+21的实测数据验证了该关系式的正确性。仿真结果表明所给最优观测周期计算公式对脉冲星PSR B0531+21的预测误差为44 s，证明了所给公式的正确性，为导航中脉冲星观测周期的确定提供了理论基础。     

基于月基观测的脉冲星可见性分析

针对月基脉冲星观测可见性问题,系统梳理了脉冲星可见性影响因素,提出了脉冲星可见性分析方法,在复杂月球运动模型的基础上,建立了一套简化的月基观测站坐标系转换模型。通过理论计算和仿真分析,论证了月基观测站位置、太阳规避角、地球遮挡、脉冲星方位对脉冲星可见性的影响,分析了月球典型区域脉冲星观测可见性特点。结果表明:月基观测站所在纬度对可见时间影响较大,高纬度地区有利于脉冲星的持续观测;太阳规避角与规避时长呈正比;月球正面区域会受到地球规避影响;脉冲星赤纬会影响太阳规避时长,赤纬越大,太阳规避时长越小。     

脉冲星试验01星科学试验与成果

X射线脉冲星导航作为一种战略性、前沿性、基础性技术，自概念诞生以来就备受国际关注。由于脉冲星导航仿真验证模型复杂，关键技术难以全部地面验证，为此中国于2016年发射了脉冲星试验01星开展系列科学试验。对脉冲星试验01星科学试验成果进行了系统总结：利用大流量脉冲星实测数据对Wolter-I聚焦型探测器在轨能量响应、时间响应、有效面积和本底噪声进行了测试标定，基于低流量脉冲星实测数据开展了空间环境探测试验，对蟹状星云（Crab）脉冲星进行长期观测并计时分析得到了高精度自转参数，初步试验验证了脉冲星导航技术。结合脉冲星试验01星的科学试验经验提出了未来发展方向。相关试验的开展摸清了中国脉冲星导航技术能力现状，获取了大量自主观测数据，加速了中国脉冲星导航技术发展。     

X射线聚焦光学在脉冲星探测领域的应用

脉冲星是人类20世纪发现的重大天文学事件，X射线脉冲星探测作为天体物理学和空间探测领域的重要分支之一，在基础科学研究和工程应用领域具有极其重要的意义，长期以来被美国、欧洲、日本和中国列入国家重大发展规划。脉冲星探测面临自身辐射流量微弱、空间辐射本底复杂、X射线易散射等难题，特别是毫秒脉冲星的高灵敏度探测极具挑战性。近年来，X射线聚焦光学的快速发展为空间天文学、空间科学、脉冲星计时与导航等领域提供了新方法和新视角。通过回顾半个世纪以来X射线聚焦光学的发展历程，总结了未来脉冲星探测需求，阐述了空间X射线聚焦光学的关键技术、应用情况与发展现状。最后，对X射线聚焦光学技术发展趋势及其在X射线脉冲星探测领域的潜在应用进行展望。     

单颗导航卫星的轨道确定

讨论在导航星座只有一颗卫星时,不依赖于时间同步系统的卫星定轨策略和精度分析。采用历元间差分算法,在消除钟差的主项（低频）误差后,将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据,并对其建立测量模型。仿真分析表明,此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度,利用实测的GPS数据进行轨道确定计算,计算结果表明,采用历元间差分算法,利用国内观测台站3天弧段的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨,其径向精度优于10m,利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13．8m。