一种快速X射线脉冲星光子到达时间转换的简化模型

张泽葳; 包为民; 方海燕; 苏剑宇; 李小平; 姚云峰

doi:10.12263/DZXB.20221003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

一种快速X射线脉冲星光子到达时间转换的简化模型

学术论文 | 更新时间：2025-12-08

- 一种快速X射线脉冲星光子到达时间转换的简化模型
- A Fast Simplified Model for X-ray Pulsar Photon Arrival Time Conversion
- 电子学报 2024年52卷第9期页码：2939-2949
- 作者机构：
  
  西安电子科技大学空间科学与技术学院，陕西西安 710126
- 作者简介：
  
  [ "张泽葳男，1998年1月出生于山西省晋中市.现为西安电子科技大学在读博士生.主要研究方向为航天器及编队自主导航. E-mail: zeweizhang@stu.xidian.edu.cn" ]
  [ "包为民男，1960年3月出生于黑龙江省哈尔滨市.制导与控制专家、中国科学院院士、国际宇航科学院院士.现为中国航天科技集团公司科技委主任. E-mail: baoweimin_xd@163.com" ]
  [ "方海燕女，1974年出生于山东省济宁市.教授，博导.主要研究方向为X射线脉冲星导航、“觅音”计划卫星平台高精度测量及地面验证.中国电子学会会员编号：E190015406M.E-mail: hyfang@xidian.edu.cn" ]
  [ "苏剑宇男，1992年出生于山西省晋城市.现为西安电子科技大学在读博士生.主要研究方向为X射线脉冲星导航. E-mail: sjychangmian@163.com" ]
  [ "李小平女，1961年出生于山西省.教授，博导.主要研究方向为空间测控通信、空间科学及应用、智能通信及信息处理.中国电子学会会员编号：E190015417M.E-mail: xpli@xidian.edu.cn" ]
  姚云峰男，1996年出生于河北省张家口市.2022年硕士毕业于西安电子科技大学，现为中国电子科技集团公司第五十四研究所工程师，从事导航技术方面研究. E-mail: 1171095952@qq.com
- 基金信息：
  
  陕西省创新能力支撑计划(S2022-ZC-TD-0060)
- DOI：10.12263/DZXB.20221003
  中图分类号： P128.4;TN967.2
- 收稿：2022-09-02，
  
  修回：2023-04-04，
  
  纸质出版：2024-09-25
- 稿件说明：
移动端阅览
张泽葳, 包为民, 方海燕, 等. 一种快速X射线脉冲星光子到达时间转换的简化模型[J]. 电子学报, 2024, 52(09): 2939-2949.

ZHANG Ze-wei, BAO Wei-min, FANG Hai-yan, et al. A Fast Simplified Model for X-ray Pulsar Photon Arrival Time Conversion[J]. Acta Electronica Sinica, 2024, 52(09): 2939-2949.
张泽葳, 包为民, 方海燕, 等. 一种快速X射线脉冲星光子到达时间转换的简化模型[J]. 电子学报, 2024, 52(09): 2939-2949. DOI：10.12263/DZXB.20221003

ZHANG Ze-wei, BAO Wei-min, FANG Hai-yan, et al. A Fast Simplified Model for X-ray Pulsar Photon Arrival Time Conversion[J]. Acta Electronica Sinica, 2024, 52(09): 2939-2949. DOI：10.12263/DZXB.20221003

摘要

高精度X射线光子到达时间转换模型对脉冲星导航的精度至关重要，针对目前完整模型复杂而简化模型精度有限的问题，本文提出了一种精度不低于已有简化模型的快速简化模型.通过对现有完整模型的推导，从理论上分析了各延迟项对模型精度的影响，指出罗曼延迟仍是影响简化模型精度的关键.通过改变罗曼延迟的表达式及其二阶展开方式并考虑物理量的易获取度，得到一种快速简化模型.利用完整模型及所提简化模型对中子星内部组成探测器（Neutron star Interior Composition Explorer，NICER）和慧眼硬X射线调制望远镜（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）的实测光子数据进行时间转换，分析了所提模型的精度和计算效率；利用数值仿真分析了轨道高度、脉冲星角位置测量误差对简化模型精度的影响，讨论了不同高度地球轨道应用中该简化模型的精度及计算效率.结果表明本文所提简化模型相比Sheikh简化模型和fei模型计算效率分别提高50%和10%，且未造成精度降低.

Abstract

A high-precision X-ray photon arrival time conversion model is crucial to the accuracy of X-ray Pulsar-based Navigation. Aiming at the current problem that the complete model is complex and the simplified model has limited accuracy

a fast simplified model with accuracy no less than the existing simplified model is proposed in this paper. Through the derivation of the existing complete model

the influence of each delay item on the accuracy of the model is theoretically analyzed

and it is pointed out that the Roemer delay is still the key to the accuracy of the simplified model. A fast simplified model was obtained by changing the expression of the Roemer delay and its second-order expansion

and considering the ease of access to physical quantities in practical application. The accuracy and computational efficiency of the proposed model are analyzed by using the complete model and the proposed simplified model to time-transform the measured photon data of NICER (Neutron star Interior Composition Explorer) and HXMT (Hard X-ray Modulation Telescope) satellites. Furthermore

the influence of orbital altitude and pulsar angular position measurement errors on the accuracy of the simplified model is analyzed by numerical simulation

and the accuracy and computational efficiency of the simplified model in the application of Earth orbit at different altitudes are discussed. The results show that the computational efficiency of the simplified model proposed in this paper is improved 50% than that of the Sheikh’s simplified model and 10% than the fei’s model

without causing a decrease in accuracy.

关键词

Keywords

references

SHEIKH S I , HELLINGS R W , MATZNER R A . High-Order pulsar timing for navigation [C ] // Proceedings of the 63rd Annual Meeting of the Institute of Navigation . Cambridge : Institute of Navigation , 2007 : 432 - 443 .

HELLINGS R W . Relativistic effects in astronomical timing measurements [J ] . The Astronomical Journal , 1986 , 91 : 650 - 659 .

SHEIKH S I . The Use of Variable Celestial X-Ray Sources for Spacecraft Navigation [D ] . Maryland : University of Maryland , 2005 .

帅平 , 李明 , 陈绍龙 , 等 . X射线脉冲星导航系统原理与方法 [M ] . 北京 : 中国宇航出版社 , 2009 .

王安国 . 现代天文导航及其关键技术 [J ] . 电子学报 , 2007 , 35 ( 12 ): 2347 - 2353 .

WANG A G . Modern celestial navigation and the key techniques [J ] . Acta Electronica Sinica , 2007 , 35 ( 12 ): 2347 - 2353 . (in Chinese)

郑伟 , 李治泽 , 李连升 , 等 . 脉冲星导航在载人火星探测中的应用 [J ] . 载人航天 , 2022 , 28 ( 5 ): 613 - 619 .

ZHENG W , LI Z Z , LI L S , et al . Application of pulsar-based navigation in manned Mars exploration [J ] . Manned Spaceflight , 2022 , 28 ( 5 ): 613 - 619 . (in Chinese)

周庆勇 , 刘思伟 , 姬剑锋 , 等 . 美国SEXTANT项目脉冲星导航空间试验进展及启迪 [J ] . 测绘科学与工程 , 2020 , 40 ( 5 ): 61 - 66 .

闫林丽 , 葛明玉 , 庹攸隶 , 等 . 5颗导航用X射线脉冲星计时分析 [J ] . 航空学报 , 2023 , 44 ( 3 ): 177 - 192 .

YAN L L , GE M Y , TUO Y L , et al . Timing analysis for five navigation X-ray pulsars [J ] . Acta Aeronautica et Astronautica Sinica , 2023 , 44 ( 3 ): 177 - 192 . (in Chinese)

杨廷高 , 高玉平 , 童明雷 , 等 . 综合脉冲星时研究进展 [J ] . 航空学报 , 2023 , 44 ( 3 ): 61 - 77 .

YANG T G , GAO Y P , TONG M L , et al . Review on research progress of ensemble pulsar time-scale [J ] . Acta Aeronautica et Astronautica Sinica , 2023 , 44 ( 3 ): 61 - 77 . (in Chinese)

杨廷高 . 关于脉冲星脉冲到达时间转换方程 [J ] . 时间频率学报 , 2009 , 32 ( 2 ): 154 - 159 .

YANG T G . On transfer equation of pulsar pulse arrival time [J ] . Journal of Time and Frequency , 2009 , 32 ( 2 ): 154 - 159 . (in Chinese)

何元智 , 尹浩 , 谭庆贵 , 等 . 基于微波光子的卫星通信载荷架构及关键技术 [J ] . 电子学报 , 2022 , 50 ( 12 ): 2945 - 2956 .

HE Y Z , YIN H , TAN Q G , et al . Architecture and key technologies of satellite communication payload based on microwave photonics [J ] . Acta Electronica Sinica , 2022 , 50 ( 12 ): 2945 - 2956 . (in Chinese)

FANG H Y , SU J Y , LI L S , et al . An analysis of X-ray pulsar navigation accuracy in earth orbit applications [J ] . Advances in Space Research , 2021 , 68 ( 9 ): 3731 - 3748 .

帅平 , 陈绍龙 , 吴一帆 , 等 . X射线脉冲星导航原理 [J ] . 宇航学报 , 2007 , 28 ( 6 ): 1538 - 1543 .

SHUAI P , CHEN S L , WU Y F , et al . Navigation principles using X-ray pulsars [J ] . Journal of Astronautics , 2007 , 28 ( 6 ): 1538 - 1543 . (in Chinese)

谢振华 , 许录平 , 倪广仁 . 基于最大似然的X射线脉冲星空间定位研究 [J ] . 宇航学报 , 2007 , 28 ( 6 ): 1605 - 1608, 1642 .

XIE Z H , XU L P , NI G R . X-ray pulsars-based spacecrafts' position determination algorithm based on maximum likelihood estimation [J ] . Journal of Astronautics , 2007 , 28 ( 6 ): 1605 - 1608, 1642 . (in Chinese)

李建勋 , 柯熙政 . 基于脉冲星定时模型的自主导航定位方法 [J ] . 中国科学 (G辑: 物理学力学天文学) , 2009 , 39 ( 2 ): 311 - 317 .

LI J X , KE X Z . Autonomous navigation and positioning method based on pulsar timing model [J ] . Science in China (Series G (Physics , Mechanics & Astronomy)), 2009 , 39 ( 2 ): 311 - 317 . (in Chinese)

孙维瑾 , 费保俊 , 肖昱 , 等 . X射线脉冲星自主导航的光传播时间方程 [J ] . 天文学报 , 2008 , 49 ( 2 ): 198 - 206 .

SUN W J , FEI B J , XIAO Y , et al . The time equation of light propagation in XNAV [J ] . Acta Astronomica Sinica , 2008 , 49 ( 2 ): 198 - 206 . (in Chinese)

黄震 , 李明 , 帅平 . X射线脉冲星导航的时间转换模型研究 [C ] // 全国第十三届空间及运动体控制技术学术会议论文集 . 宜昌 : 中国自动化学会 , 2008 : 126 - 131 .

HUANG Z , LI M , SHUAI P . On time transfer in X-ray pulsar navigation [J ] . Science in China Series E: Technological Sciences , 2009 , 52 ( 5 ): 1413 - 1419 .

MURRAY C A , Eichhorn H . Vectorial atrometry [J ] . Physics Today , 1984 , 37 ( 5 ): 84 - 86 .

赵铭 , 黄天衣 . 脉冲星计时数据的天体测量解析 [J ] . 中国科学 (G辑: 物理学力学天文学) , 2009 , 39 ( 11 ): 1671 - 1677 .

ZHAO M , HUANG T Y . An astrometry parsing to the data of pulsar timing [J ] . Science in China (Series G (Physics , Mechanics & Astronomy)), 2009 , 39 ( 11 ): 1671 - 1677 . (in Chinese)

周庆勇 , 姬剑锋 , 任红飞 . X射线脉冲星自主导航的观测方程 [J ] . 物理学报 , 2013 , 62 ( 13 ): 586 - 595 .

ZHOU Q Y , JI J F , REN H F . Timing equation in X-ray pulsar autonomous navigation [J ] . Acta Physica Sinica , 2013 , 62 ( 13 ): 586 - 595 . (in Chinese)

费保俊 , 孙维瑾 , 潘高田 , 等 . X射线脉冲星自主导航的光子到达时间转换 [J ] . 空间科学学报 , 2010 , 30 ( 1 ): 85 - 90 .

FEI B J , SUN W J , PAN G T , et al . Transformation of photon time of arrival in XNAV [J ] . Chinese Journal of Space Science , 2010 , 30 ( 1 ): 85 - 90 . (in Chinese)

费保俊 . 相对论在现代导航中的应用 [M ] . 第2版 . 北京 : 国防工业出版社 , 2015 .

任红飞 , 魏子卿 , 周庆勇 . 相对论框架下脉冲星导航的2PN观测方程 [J ] . 测绘学报 , 2014 , 43 ( 10 ): 1025 - 1031 .

REN H F , WEI Z Q , ZHOU Q Y . The 2PN observation equation for pulsar navigation in framework of general relativity [J ] . Acta Geodaetica et Cartographica Sinica , 2014 , 43 ( 10 ): 1025 - 1031 . (in Chinese)

任红飞 . 相对论框架下脉冲星导航模型的研究 [D ] . 郑州 : 解放军信息工程大学 , 2012 .

李小平 , 方海燕 , 孙海峰 , 等 . X射线脉冲星大尺度时间转换模型研究 [J ] . 载人航天 , 2015 , 21 ( 6 ): 628 - 634 .

LI X P , FANG H Y , SUN H F , et al . Research on large-scale time transform model of X-ray pulsar [J ] . Manned Spaceflight , 2015 , 21 ( 6 ): 628 - 634 . (in Chinese)

赵峥 . 《广义相对论入门讲座》连载④: 度规张量 [J ] . 大学物理 , 2011 , 30 ( 10 ): 60 - 61 .

ZHAO Z . Introduction to general relativity lecture (4)—Metric tensor [J ] . College Physics , 2011 , 30 ( 10 ): 60 - 61 . (in Chinese)

常高 . 引力场的度规张量及行星运动的广义相对论效应 [J ] . 沈阳工业大学学报 , 1998 , 20 ( 1 ): 76 - 78 .

方海燕 , 李连升 , 张力 , 等 . X射线脉冲星短时观测高信噪比轮廓获取方法 : CN110986922B [P ] . 2022-09-06 .

FANG H Y , LI L S , ZHANG L , et al . X-ray pulsar short-time observation high-signal-to-noise ratio contour acquisition method : CN110986922B [P ] . 2022-09-06 . (in Chinese) .

BLACKBURN J K , SHAW R A , PAYNE H E , et al . NASA's HEASARC: Software [EB/OL ] . ( 2021-09-01 )[ 2022-09-02 ] . https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/software/lheasoft/RelNotes_6.29.html https://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/software/lheasoft/RelNotes_6.29.html .

赵雄文 , 张钰 , 秦鹏 , 等 . 空天地一体化无线光通信网络关键技术及其发展趋势 [J ] . 电子学报 , 2022 , 50 ( 1 ): 1 - 17 .

ZHAO X W , ZHANG Y , QIN P , et al . Key technologies and development trends for a space-air-ground integrated wireless optical communication network [J ] . Acta Electronica Sinica , 2022 , 50 ( 1 ): 1 - 17 .

FAIRHEAD L , BRETAGNON P . An analytical formula for the time transformation TB-TT [J ] . Astronomy and Astrophysics , 1990 , 229 ( 2 ): 240 - 247 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

暂无数据