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脉冲星计时数据处理与应用研究

尹东山  
【摘要】:脉冲星有着良好的自转频率稳定度,尤其是毫秒脉冲星,其长期自转频率稳定度可以与原子钟相媲美,因此利用毫秒脉冲星可以建立一种全新的时间尺度,即脉冲星时间尺度。由于脉冲星时与原子时所对应的物理机制不同,我们可以利用脉冲星时对原子时进行比对与检验。但是,有多种天体测量因素会对脉冲星计时观测结果产生影响,如脉冲星位置采用值误差、脉冲星自行采用值误差、地球轨道半长轴采用值误差、地球轨道偏心率采用值误差等,从天体测量的角度对脉冲星计时观测数据进行解析,可以分析出地球历表误差对脉冲星参数拟合的影响机制,并为后续脉冲星钟模型参数和天体测量参数拟合精度的提高打下基础。钟模型参数和天体测量参数被精确测定的一组脉冲星可构成脉冲星时空参考架,脉冲星时空参考架可为航天器提供时空基准,是脉冲星自主导航技术的基础。脉冲星自主导航是脉冲星时间尺度的另一个重要应用方向,这是一项天文自主导航技术,利用射电观测数据可以对脉冲星自主导航的原理进行验证,并对导航精度进行估计。本论文的研究工作围绕地球质心历表误差对脉冲星计时观测的影响机制、脉冲星时间尺度的建立以及单探测器脉冲星导航与原理验证实验这三点展开。(1)地球质心历表误差对脉冲星计时观测的影响分析脉冲星计时观测是脉冲星物理与应用研究的基本观测手段,高精度的地球质心历表是获取高质量的计时观测数据的必须条件。目前在脉冲星计时观测中常用的也是精度最高的地球历表是美国喷气推进实验室编制的DE系列行星历表,该系列历表是基于太阳系行星的多技术手段距离与方向观测量以及行星的质量估计值而计算得到的,由于行星测距误差以及质量估计误差的存在导致DE系列行星历表存在系统性误差,尤其是地球质心历表误差会对脉冲星计时观测和导航应用产生影响。本文对DE系列历表中存在的系统性误差进行了初步的分析,比较了不同版本的历表之间的差值,分析结果表明外行星质量采用值误差是造成历表误差的主要原因。同时对脉冲星计时残差数据中所包含的信息从天体测量的角度进行了解析,建立了理论模型,初步分析了各历表参数采用值误差对脉冲星参数拟合的影响机制。(2)利用NANOGRAV的实测数据建立综合脉冲星时间尺度在脉冲星演化的过程中,由于大质量恒星的塌缩引起半径的不断减小,其内核的自转速度越来越快,最终到脉冲星形成时其自转周期可以加快到秒量级,这其中有一类特殊的脉冲星它们的自转周期可以快至毫秒量级,被称为毫秒脉冲星。毫秒脉冲星有着极其稳定的自转周期,其自转周期的变化率通常在1E-20(s/s)量级。脉冲星的自转具有稳定、可测量的特性,利用长期的脉冲星计时观测数据可建立综合脉冲星时间尺度。不同于现在广泛使用的原子时,脉冲星时是一种以天体的宏观运动为参考的时间尺度,脉冲星时与原子时背后所对应的物理机制完全不同,两种时间尺度之间可以进行相互检验。高质量的脉冲星计时观测数据对于提高脉冲星时的准确度和稳定度至关重要,因此我们选用了国际脉冲星计时观测阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)中精度较高的北美脉冲星计时阵(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves,NANOGRAV)的观测数据来建立脉冲星时。针对NANOGRAV数据的特点建立了合适的算法和数据处理流程。最后利用最新发布的NANOGRAV长达9年的计时观测数据计算得到了综合脉冲星时间尺度,它的长期稳定度(取样间隔大于1年)达到3.4E-15。结果表明,这一系列算法和数据处理流程可有效降低脉冲星计时残差中的噪声影响,同时可提高综合脉冲星时间尺度的长期稳定度。(3)单探测器脉冲星导航方法与验证实验脉冲星自主导航是脉冲星时间尺度的另一个重要应用领域,传统的脉冲星自主导航技术要求航天器上搭载至少4台大面积X射线探测器,这会极大的占用航天器的有效载荷。在传统脉冲星导航方法的基础上,我们提出了一种与惯性导航系统相结合的单探测器脉冲星导航方法,该方法只需在航天器上搭载一台X射线探测器,按照预先设定的顺序依次观测多颗脉冲星,结合惯性导航系统给出的航天器在不同观测历元之间的相对位置观测值,可以解算出航天器在初始历元的位置坐标。为验证该方法的可行性和精度,我们利用地面射电望远镜的实测数据开展了验证实验。实验中采用了PPTA中16毫秒颗脉冲星的观测数据,利用单探测器脉冲星导航算法解算天线的位置坐标,并将解算结果与天线的真实位置进行比较,实验结果表明单探测器脉冲星导航方法是可行的。同时我们还在本文中研究了基于综合孔径观测方案的导航星座自主时间同步方法,并给出了详细的实施方案。


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