一种脉冲星的脉冲模板的构建方法与流程

本发明涉及脉冲星观测
技术领域：
，具体涉及一种脉冲星的脉冲模板的构建方法。
背景技术：
：X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，具有能提供高精度的参考时间基准、导航精度高、对导航敏感器精度要求较低的优势，同卫星导航相比，X射线脉冲星导航还具有可同时服务于近地航天器和深空探测器的优势。由于其具有广阔的应用前景，X射线脉冲星导航技术得到了国内外的广泛关注。经过近三十年的发展，该导航技术已经逐步从概念研究阶段进入关键技术攻坚阶段。脉冲星数据库的构建是X射线脉冲星导航的一项关键技术。构建脉冲星数据库涵盖了脉冲星的空间分布参数、周期分布参数、信号参数等参数的测定工作。其中，脉冲星信号的脉冲模板是脉冲星信号处理的基本输入量，也是脉冲星数据库构建中的一项重要内容。将在轨恢复的轮廓与脉冲模板对比，可以估计出脉冲到达航天器的到达时间(TimeofArrival，TOA)。TOA是脉冲星导航的基本测量量。而若脉冲模板存在偏差，则会导致TOA的估计结果出现偏差，从而降低了导航系统的性能。因此，提供一种构建高精度的脉冲模板的方法具有重要的意义。技术实现要素：本发明目的在于提供一种步骤精简、能获得高精度脉冲模板的脉冲星的脉冲模板的构建方法，具体技术方案如下：一种脉冲星的脉冲模板的构建方法，包括以下步骤：第一步：分析影响脉冲模板构建系统误差的周期，具体是：根据时间转换模型，建立误差传播方程，分析系统误差的周期；第二步：分析脉冲星的可见性，具体是：考虑引力中心天体遮挡和太阳规避角两种因素，分析脉冲星的可见性；第三步：对称规划脉冲星的观测时段，具体是：根据系统误差周期以及脉冲星的可见性，对称选择脉冲星的观测时间段；第四步：将脉冲星的观测时段的光子到达时间序列转换到SSB，具体是：基于时间转换模型，将光子TOA转换到SSB；第五步：周期搜索，具体是：变化实验周期进行历元折叠，依据统计学原理，得到最佳折叠周期；第六步：相位对齐，具体是：计算不同时段恢复轮廓的相位差，将后续时段得到的恢复轮廓折合到第一个时段，从而获得脉冲星的脉冲模板。以上技术方案中优选的，所述第一步中分析影响脉冲模板构建系统误差的周期具体过程如下：考虑Roemer延迟和Shapiro延迟效应，令光子到达探测器的时间为tSC，光子到达真空SSB的时间为tSSB，时间转换模型为表达式1)：tSSB=tSC+1c[n·rSC-rSC22D0+(n·rSC)22D0-(b·rSC)D0+(n·b)(n·rSC)D0]+Σk=192μkc3ln|n·pk+||pk|||---1);]]>其中：表达式1)中等号右边的第二项为Roemer延迟的二阶泰勒展开，表达式1)中等号右边的第三项为Shapiro延迟效应；n是脉冲星位置矢量；rSC是航天器相对于SSB的位置矢量；c是光速；D0是脉冲星在基准传播时间T0时的位置；b是SSB相对于太阳质心的位置矢量；pk是航天器相对于第k颗行星的位置矢量；μk为第k颗行星的引力常数；将表达式1)中pk改写为rSC-bk，其中bk为第k颗行星相对SSB的位置矢量，得到时间转换模型如表达式2)：tSSB=tSB+1cn·rSC+12cD0[-||rSC||2+(n·rSC)2-2(n·b)(n·rSC)]+Σk=192μkc3ln|n·(rSC-bk)+||rSC-bk|||---2);]]>其中：n是脉冲星位置矢量；rSC是航天器相对于SSB的位置矢量；c是光速；D0是脉冲星在基准传播时间T0时的位置；b是SSB相对于太阳质心的位置矢量；pk是航天器相对于第k颗行星的位置矢量；μk为第k颗行星的引力常数；因ΔrSC为行星中心引力体位置误差、Δb为太阳位置误差、Δbk为其他天体的位置误差、Δn为脉冲星角位置误差、ΔD0为脉冲星位置误差以及ΔtSC为航天器星载原子钟钟差，因此，将表达式2)求偏导即可得行星中心引力体位置误差、太阳位置误差、其他天体的位置误差、脉冲星角位置误差、脉冲星位置误差以及航天器星载原子钟钟差对时间转换误差的传播函数，从而分析得到各项误差的周期。以上技术方案中优选的，所述第二步中分析脉冲星的可见性的具体过程如下：考虑引力中心天体遮挡，详情是：航天器位于遮挡天体阴影处时，满足表达式3)；π-arccos(rSC/B2-RB2rSC/B)≤arccos(n·rSC/B)≤π-arccos(rSC/B2-RB2rSC/B)---3);]]>其中，n为脉冲星矢量方向；rSC/B为航天器相对中心天体的位置矢量；RB为中心天体半径，对地球来说，地球半径应该还包括大气的高度hATM，即RB＝RE+hATM；考虑太阳规避角，详情是：设定太阳规避角为α0，太阳和航天器连线与脉冲星和航天器连线的夹角α满足α＞α0时，脉冲星可见；同时考虑引力中心天体遮挡和太阳规避角两项因素，即可得到脉冲星的可见时段。以上技术方案中优选的，所述第四步中将光子到达时间序列转换到SSB的具体过程如下：通过第一步中的表达式2)可将观测时段内探测器测量得到的光子到达时间序列转换到SSB。以上技术方案中优选的，所述第五步中周期搜索具体过程是：设在观测时间t内，探测器可接收到一段光子到达时间序列，按照试验周期P进行历元折叠，其中P>0，详情是：将该光子到达时间序列分为NP段；将NP段长度为试验周期P的光子到达时间序列分为Nb份，即将一个周期的相位分为Nb份；各个试验周期的光子到达时间依次累积按相位到第一段上，得到第i个相位的光子数为ci，建立统计量χ2详见表达式4)：χ2=Σ(ci-c‾)2/c‾---4);]]>其中，为平均光子数；一直变化试验周期P，使χ2达到最大值，χ2的最大值对应的P即为脉冲星的自转周期。以上技术方案中优选的，所述第六步中相位对齐具体过程是：通过第五步中的周期寻找过程，可以获得最佳的折合周期Pbest；由于每段观测时间的脉冲星信号初相不同，需要把不同观测时段的初相对齐；通过交叉互相关或傅里叶变换法将后续观测时段得到的轮廓与第一个观测时段得到的轮廓作比较，求得初相差；根据不同的初相差，将后续时段得到的恢复轮廓折合到第一个时段，得到高信噪比的信号轮廓，即得脉冲星的脉冲模板。应用本发明的技术方案，效果如下：(1)本发明的构建过程是：第一步，分析影响脉冲模板构建系统误差的周期；第二步，考虑引力中心天体遮挡以及太阳规避角，分析脉冲星可见时间段；第三步，根据系统误差周期，对称规划X射线脉冲星的观测时段，得到相应的X射线光子到达时间序列及光子数量；第四步，通过时间转换模型，将观测得到的光子到达时间序列转换到太阳系质心(SolarSystemBarycentre，SSB)；第五步，经过周期搜索得到最佳历元折叠周期；第六步，通过相位对齐，将后续时段得到的恢复轮廓折合到第一个时段，从而获得高精度的脉冲模板，整个过程步骤精简；(2)本发明在考虑脉冲星的可见性会受到太阳、月球、地球等天体遮挡以及脉冲星的可见性与航天器的轨道高度和探测器搭载方式有关等因素外，还分析影响脉冲模板构建精度系统误差的周期，并以此为基础对称规划脉冲星观测时段，能够有效削弱系统误差的影响，进而提高脉冲模板构建的精度。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是优选实施例1中脉冲星的脉冲模板的构建方法的框架示意图；图2是实施例1中脉冲星角位置误差导致的时延在一年内的变化情况以及通过对称采样进行历元累积对此时延的削弱效果示意图。具体实施方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。实施例1：一种脉冲星的脉冲模板构建方法(具体是：一种考虑系统误差的高精度X射线脉冲星脉冲模板构建方法)，以脉冲星角位置误差为例，取Crab脉冲星为导航星，不考虑脉冲星自行，其角位置为(83°38′00″，22°00′52″)，角位置误差取为1mas，观测初始时刻到SSB的距离为2kpc，光速为2.99792458×108m/s，在近地轨道，以地球的位置近似航天器的位置，太阳及八大行星相对SSB的位置及其引力常数基于DE405得到，进行1000次蒙特卡洛仿真模拟。具体包括以下步骤，详见图1：第一步1，分析系统误差周期，详情是：考虑Roemer延迟和Shapiro引力延迟效应，令光子到达探测器的时间为tSC，光子到达真空SSB的时间为tSSB，时间转换模型为表达式1)：tSSB=tSC+1c[n·rSC-rSC22D0+(n·rSC)22D0-(b·rSC)D0+(n·b)(n·rSC)D0]+Σk=192μkc3ln|n·pk+||pk|||---1);]]>其中：表达式1)中等号右边的第二项为Roemer延迟的二阶泰勒展开，表达式1)中等号右边的第三项为Shapiro延迟效应；n是脉冲星位置矢量；rSC是航天器相对于SSB的位置矢量；c是光速；D0是脉冲星在基准传播时间T0时的位置；b是SSB相对于太阳质心的位置矢量；pk是航天器相对于第k颗行星的位置矢量；μk为第k颗行星的引力常数；将表达式1)中pk改写为rSC-bk，其中bk为第k颗行星相对SSB的位置矢量，可得时间转换模型如表达式2)：tSSB=tSB+1cn·rSC+12cD0[-||rSC||2+(n·rSC)2-2(n·b)(n·rSC)]+Σk=192μkc3ln|n·(rSC-bk)+||rSC-bk|||---2);]]>其中：n是脉冲星位置矢量；rSC是航天器相对于SSB的位置矢量；c是光速；D0是脉冲星在基准传播时间T0时的位置；b是SSB相对于太阳质心的位置矢量；pk是航天器相对于第k颗行星的位置矢量；μk为第k颗行星的引力常数；因Δn为脉冲星角位置误差，由表达式2)可得表达式3)：Δn=-sinδcosα-sinδsinαcosδΔδ+-cosδsinαcosδcosα0Δα---3);]]>其中：Δα和Δδ均选为1mas；对于近地轨道，以地球的位置近似航天器的位置，即有：rSC≈rE；此时误差传播方程可转化为表达式4)：Δt=1crE·Δn+1c[(n·rE)(rE·Δn)D0+(Δn·b)(n·rE)+(n·b)(Δn·rE)D0]+Σi=182μic3Δn·(rE-bi)[n·(rE-bi)+||rE-bi||]---4);]]>由表达式4)可以看出，只有航天器位置矢量rE为变量外，因此，脉冲星角位置误差引起的系统误差由rE决定，即由脉冲角位置误差引起的系统误差周期为地球公转周期。第二步2，分析脉冲星可见性，详情是：以地球同步轨道为例，考虑地球遮挡，满足表达式5)时脉冲星被遮挡，不可见。π-arccos(rSC/B2-RB2rSC/B)≤arccos(n·rSC/B)≤π-arccos(rSC/B2-RB2rSC/B)---5);]]>太阳规避角α0设定为15°，当太阳和航天器连线与脉冲星和航天器连线的夹角α满足α＞α0时，脉冲星可见；同时考虑地球遮挡和太阳规避角两项因素，基于DE405星历数据，经全年仿真得到Crab脉冲星在整个6月份不可见，其余为可见时段。第三步3，对称规划脉冲星观测时段，详情是：由第一步的分析可知：脉冲星角位置误差引起的系统误差周期为一年，结合第二步中脉冲星可见时段的分析，在一年内对称选取观测时间段，本实施例中选取Crab星的观测时段为1～5月份和8～12月份。第四步4，将光子到达时间序列转换到SSB，具体是：考虑Roemer延迟和Shapiro引力延迟效应，令光子到达探测器的时间为tSC，光子到达真空SSB的时间为tSSB，相应的时间转换模型可写为如下表达式：tSSB=tSB+1cn·rSC+12cD0[-||rSC||2+(n·rSC)2-2(n·b)(n·rSC)]+Σk=192μkc3ln|n·(rSC-bk)+||rSC-bk|||;]]>其中：表达式中等号右边的第二项为Roemer延迟的二阶泰勒展开，表达式中等号右边的第三项为Shapiro延迟效应；n是脉冲星位置矢量；rSC是航天器相对于SSB的位置矢量；c是光速；D0是脉冲星在基准传播时间T0时的位置；b是SSB相对于太阳质心的位置矢量；pk是航天器相对于第k颗行星的位置矢量；μk为第k颗行星的引力常数；根据时间转换模型表达式，将观测时间段内探测器测得的光子到达时间序列转换到SSB(此处的转换方式可参照现有技术)。第五步5，周期搜索，详情是：假设在观测时间1月1日到5月31日以及8月1日到12月31日(记观测时段长度为t，此处t＝304d)内，探测器可接收到一段光子到达时间序列，按照试验周期P进行历元折叠。即将该光子到达时间序列分为NP(满足)段。然后，将NP段长度为试验周期P的光子到达时间序列分为250份，即将一个周期的相位分为250份。各个试验周期的光子到达时间依次累积按相位到第一段上，得到第i个相位的光子数为ci，建立统计量χ2详见表达式6)：χ2=Σ(ci-c‾)2/c‾---6);]]>其中，为平均光子数；一直变化试验周期P，使χ2达到最大值。χ2的最大值对应的周期P＝33.4683ms，此即为脉冲星的自转周期。第六步6，相位对齐，详情是：通过第五步的周期寻找过程，可以获得最佳的折合周期Pbest＝33.4683ms。由于每段观测时间的脉冲星信号初相不同，需要把不同观测时段的初相对齐。通过交叉互相关法将后续观测时段得到的轮廓与第一个观测时段得到的轮廓作比较，求得初相差。根据不同的初相差，就可将后续时段得到的恢复轮廓折合到第一个时段，从而获得高精度的脉冲模板。本发明实例脉冲星角位置误差导致的时延在一年内的变化情况以及通过历元累积对此时延的削弱效果详见图2。由图2可以看出，若不按系统误差周期的对称时段进行历元累积(如前70小时)，其系统误差不断增大；本发明方法增加对称时段进行历元累积后(约70小时以后)，其系统误差得以削弱。通过一年的观测，可将1mas脉冲星角位置误差的影响从1μs到2μs降低到0.1μs附近。因此，本发明按周期性系统误差的周期对称选取时间段进行历元累积，可削弱该系统误差的影响。综上所述，可得以下结论：本发明通过分析X射线脉冲模板构建的系统误差周期，按照周期对称规划脉冲星的观测时段，可以有效削弱脉冲星角位置误差的影响，进而提高脉冲模板构建的精度。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3