中心差分Kalman滤波方法在X射线脉冲星导航中的应用

由于脉冲星脉冲到达时间的测量需要较长时间,基于传统的扩展Kalman滤波的X射线脉 冲星定轨方法精度较低。为此,提出了将中心差分Kalman滤波应用于X射线脉冲星导航中, 利用中心差分Kalman滤波替代扩展Kalman滤波,通过结合航天器轨道动力学模型和脉冲星观 测信息进行定轨。仿真结果表明,中心差分Kalman滤波方法的定轨精度高于扩展Kalman滤波 方法。     

Compact X-ray binaries in and out of core collapsed globulars

We review new Chandra and HST observations of the core collapsed cluster NGC 6397 as a guide to understanding the compact binary (CB) populations in core collapse globulars. New cataclysmic variables (CVs) and main sequence chromospherically active binaries (ABs) have been identified, enabling a larger sample for comparison of the L_x, F_x/F_V and X-ray vs. optical color distributions. Comparison of the numbers of CBs with L_x  10³¹ erg s⁻¹ in 4 core collapse vs. 12 King model clusters reveals that the specific frequency S_X (number of CBs per unit cluster mass) is enhanced in core collapse clusters, even when normalized for their stellar encounter rate. Although core collapse is halted by the dynamical heating due to stellar (and binary) interaction with CBs in the core, we conclude that production of the hardest CBs – especially CVs – is enhanced during core collapse. NGC 6397 has its most luminous CVs nearest the cluster center, with two newly discovered very low luminosity (old, quiescent) CVs far from the core. The active binaries as well as neutron star systems (MSP and qLMXB) surround the central core. The overall CB population appears to be asymmetric about the cluster center, as in several other core collapse clusters observed with Chandra, suggesting still poorly understood scattering processes.     

光子TOA与自转频率误差对Crab脉冲星脉冲TOA估计的影响

为量化分析Crab脉冲星X射线波段光子到达时间（TOA）测量误差和自转频率误差对脉冲TOA估计的影响，仿真生成了13 200组带有不同光子TOA测量误差的光子TOA数据。采用含有不同大小自转频率误差的Crab脉冲星星历，通过历元折叠建立积分脉冲轮廓，与标准脉冲轮廓作互相关运算获得各组仿真观测的脉冲TOA测量误差，进一步计算出各误差参数组的仿真观测脉冲TOA测量误差均方根（RMS）。仿真结果表明，为使Crab脉冲星脉冲TOA短期测量精度达到30 ~300 μs量级的要求，有效面积为6 000 cm2和30 cm2的探测器脉冲星自转频率误差均应小于3×10-6 Hz，30 cm2的探测器光子TOA的偶然误差同时应控制在500 μs以内。     

X射线脉冲星导航中的滤波方法分析

X射线脉冲星导航由于需要大量的观测数据来确定天体方位,因此需要较长的滤波周期(500 ～ 1000s),系统的状态方程是非线性的.若采用扩展Kalman滤波(EKF),线性化时会产生较大的高阶截断误差,且Jacobian矩阵不易精确计算,导致定轨的精度较低.文中采用非线性滤波方法- Unscented Kalman 滤...     

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。     

基于X射线脉冲星的新型卫星天文导航

基于X射线脉冲星导航（XNAV）是一种新型的卫星自主导航技术。使用卫星上的相位测量值和脉冲星钟预报的相位值,可以确定卫星的位置和速度。由探测到的脉冲相位,计算出沿着脉冲星视线方向的卫星相对于地心的距离。同时测量三颗脉冲星,就可以计算出卫星在惯性系下的位置。结合距离测量方程和轨道动力学,设计了广义卡尔曼滤波算法。仿真验证表明,该导航算法能实现卫星的精确导航,定轨精度在百米以内。此外还分析了影响导航性能的因素。     

北斗卫星导航系统X射线脉冲星可见性分析

X射线脉冲星可以为深空乃至近地航天器提供全源、自主、高精度的导航服务.对近地航天器而言,由于中心天体的遮挡,脉冲星信号并非全程可见,所以X射线脉冲星的可见性成为近地导航应用中挑选脉冲星的关键因素,也是脉冲星导航的首要工作.本文对挑选出的30颗X射线脉冲星在北斗系统7个轨道面上的可见性进行了仿真分析,得出了一天内可见脉冲星数量的变化情况以及一年内太阳、地球和月球遮挡的仿真结果,总结了影响脉冲星可见性的天体的遮挡规律,为利用脉冲星对北斗卫星进行自主定轨和守时提供了数据支持.     

基于光学/脉冲星的木星探测转移段自主组合导航

提出一种基于光学/X脉冲星的木星探测器转移段自主组合导航方案。该方案在探测器转移段动力学模型的基础上,以地球、火星、木星、木星卫星以及X射线脉冲星作为观测目标,从待观测目标的几何分布、视星等以及导航精度几个方面,分析光学自主导航待观测目标的可观测条件和可观测度,优化选取最优的光学观测目标;结合X射线脉冲星观测信息,构建光学/X射线脉冲星组合导航方案;结合无迹卡尔曼滤波算法,应用于木星探测转移段,实现探测器位置和速度估计。从数学仿真结果来看,该组合导航方案状态估计精度显著优于单独使用光学导航或者X脉冲星导航系统。     

观测轮廓显著性耦合时的轨道根数反演方法

针对脉冲轮廓显著性数据耦合情况下无法直接根据显著性数据反演轨道根数的问题,提出了一种根据脉冲轮廓显著性数据的方差特征进行解耦,并逐步实现轨道六根数估计的方法。利用X射线脉冲星实测数据完成了基于观测轮廓显著性数据方差特征的导航验证,实验结果表明根据显著性数据的方差特征可逐次解耦显著性数据,并以方差最小准则得到轨道根数的估计值,且定位误差为7.31 km。本文方法既不依赖标准脉冲轮廓,同时适用于轨道六根数均存在偏差的实际情况,在X射线脉冲星导航的实际应用中更具优势。     

基于EMD-CS的脉冲星周期超快速估计

面向X射线脉冲星周期估计的压缩感知（CS）中测量矩阵尺寸大,进而导致计算量大。针对这一问题,提出了一种基于经验模态分解-压缩感知（EMD-CS）的脉冲星周期超快速估计方法。将不同畸变度的脉冲轮廓进行EMD分解,得到一系列固有模态函数（IMF）。由于IMF包含了不同时间尺度的局部特征信号,脉冲轮廓畸变度这一微弱局部特征可体现在某些IMF中。采用迭代剔除法剔除冗余的IMF,剩下的IMF构成了测量矩阵。由于IMF的数量较少,采样率大幅减少。利用EMD-CS可实现X射线脉冲星周期超快速估计。通过计算复杂度分析结果可知,采样率与计算量呈正比关系。仿真结果中表明,EMD-CS的采样率为0.25%,仅为FFT-CS的1/29,因而计算量更小。