专利汇可以提供X射线脉冲双星光子序列仿真方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种 X射线 脉冲双星 光子 序列仿真方法,包括(1) 航天器 处光子序列生成方法;(2)光子序列的动态性验证方法。本发明仿真产生了航天器处脉冲双星 辐射 的光子序列,包含了航天器运动特性、相对论效应,将传统的单脉冲星模拟扩展到脉冲双星的模拟,增强了脉冲星导航地面验证系统的模拟能 力 ,为脉冲星导航实验开展和空间高能观测 数据处理 提供了仿真数据支持。,下面是X射线脉冲双星光子序列仿真方法专利的具体信息内容。
1.X射线脉冲双星光子序列仿真方法,其特征在于,具体按照以下步骤进行:
步骤S1、根据X射线脉冲双星标准轮廓生成脉冲星处光子序列 双星标准轮廓h(φ)由X射线探测器的观测数据处理得到;φ(t)是脉冲星相位模型,描述脉冲星相位随时间的变化; 其中tf是脉冲星的自转频率fs的参考历
元,φ0为初始相位,fs为脉冲星的自转频率, 为自转频率关于时间的一阶导数, 为自转频率关于时间的二阶导数;光子到达速率函数λ(t)是光子到达探测器的流量随时间的函数,服从泊松分布,λ(t)=λb+λsh(φ(t)),其中λb为有效背景流量,λs为有效源流量;
步骤S2、建立双星质心天球坐标系即BBCRS和双星轨道平面坐标系以及计算双星系统延迟,双星系统延迟包括双星Roemer延迟△RB,双星光行差延迟△AB、双星Einstein延迟△EB和双星Shapiro延迟△SB;
步骤S3、对步骤S1得到的脉冲星处光子序列 进行校正,增加步骤S2得到的双星系统延迟,得到双星质心处的光子序列
步骤S4、计算星际延迟,星际延迟包括真空传播延迟ΔVP和星际Einstein延迟ΔES,真空传播延迟是光子由双星质心即BB到太阳系质心即SSB的星际传播路径与真空光速的比值,星际传播路径受脉冲星初始距离以及脉冲星自行共同影响,
其中, 为BB处的光子序列,tpos为脉冲星位置参考历元,v||为双星质心的径向速度,a||为双星质心的径向加速度,dShk为双星质心的Shklovskii距离,μ⊥为脉冲星横向自行,|μ⊥|为μ⊥的模,a⊥为双星质心的横向加速度,aμ≡a⊥·μ⊥为双星质心的横向加速度在脉冲星横向自行方向的分量,c为真空中光速;
星际Einstein延迟ΔES是BBCRS与质心天球参考系即BCRS下的地球动力学时之间由于相对运动造成的空间相对论时间膨胀效应,
其中,v′为BB的自行速度, 为SSB处的光子序列, 为BB处
的光子序列;
步骤S5、对步骤S3得到的BB处光子序列 进行校正,增加步骤S4得到的星际延迟,得到SSB处的光子序列 对SSB处的光子序列 进行动态性验证以得到脉冲
星在BCRS下的速度vpsr以及SSB处X射线脉冲星的接收频率fssb;
步骤S6、计算太阳系延迟,太阳系延迟包括真空阻滞即Roemer延迟△R⊙和视差延迟△p、坐标框架转换的相对论效应即Einstein延迟△E⊙和光子传播经过太阳系天体引力场时的附加延迟即Shapiro延迟△S⊙,太阳系Roemer延迟△R⊙是X射线光子信号到达航天器处与到达SSB处的简单真空路径延迟,不包括与双星运动有关的效应和脉冲星距离的影响,其中, 为观测时刻BB在BCRS下的单位位置矢量,r为航天器在BCRS下的位置矢量;
太阳系视差延迟△p是航天器在SSB下位置矢量r在BB位于BCRS下矢量方向的投影,其中,|R0|为R0的模;|r⊥|为航天器在BCRS下位移矢量在R0方向上的切向分量的模;
太阳系Shapiro延迟△S⊙是X射线光子信号在太阳系内传播时,经过由于大质量天体造成的时空弯曲形成的时间延迟,
其中, 为脉冲星单位位置矢量,G为引力常量,mi为第i个天体质量,ri为从第i个天体到航天器的位置矢量,|ri|为从第i个天体到航天器的位置矢量的模,ψi为脉冲星-航天器-第i个天体所成的夹角,△S⊙2为太阳系Shapiro延迟的二阶修正项,ms为太阳质量,ψs为脉冲星-航天器-太阳所成夹角,|rs|为从太阳到航天器的位置矢量的模;
太阳系Einstein延迟△E⊙是由于不同坐标框架下的时间系统即BCRS下的太阳系质心力学时时间系统与航天器处的地球时时间系统转换造成的时间延迟,
其中,△E⊙-⊕为地球质心到SSB的时间系统转换延迟,s为地心指向航天器的方向向量,为地球质心相对SSB的速度,W0为大地水准面处的地球旋转势能与引力势能之和的近似值W0=6.96929×10-10c2, 为航天器处的光子序列;U⊕为太阳系内除地球以外其他天体在地球质心处的引力势,v⊕为地球质心相对SSB的速度, 和 均为高阶相对论校正项,数值分比为: t0为航天器处的地球时时间系统即TT时
间系统的初始时间,t是航天器处的TT时间系统的时间;
步骤S7、对步骤S5得到的SSB处光子序列进行校正,增加步骤S6得到的太阳系延迟,得到航天器处的光子序列 对航天器处的光子序列 进行动
态性验证,并将航天器处的光子序列 校正回脉冲星处进行脉冲星轮廓恢复。
2.根据权利要求1所述的X射线脉冲双星光子序列仿真方法,其特征在于,所述步骤S2,具体按照以下步骤进行:
步骤S21、建立双星质心天球坐标系,具体分为两种方式:
1)由J2000.0天球赤道坐标系下指向已知的质心天球参考系即BCRS进行坐标旋转,即将BCRS的正交基向量(eXI,eYI,eZI)绕eZI轴顺时针转(π/2-α),得(e′X1,e′Y1,e′Z1),再绕e′X1轴顺时针转(π/2-δ),使得eZI指向n,得(e″X1,e″Y1,e″Z1),即BBCRS的正交基向量其中,eXI为BCRS的X轴单位矢量,eYI为BCRS的Y轴单位矢量,eZI为BCRS的Z轴单
位矢量,α为BB在BCRS下的赤经,δ为BB在BCRS下的赤纬,n为BCRS下BB即双星质心的单位位置向量;
2)将BCRS的正交基向量(eXI,eYI,eZI)绕eZI轴逆时针转α,得(e′X2,e′Y2,e′Z2),再绕e′Y2轴顺时针转(π/2-δ),使得eZI指向n,得(e″X2,e″Y2,e″Z2),即BBCRS的正交基向量(eXI,eYI,eZI)与 的关系为:
其中,R是数学上旋转矩阵的符号表示,自变量为赤经α和赤纬δ;
步骤S22、建立双星轨道平面坐标系;
对步骤S21中得到的BBCRS的坐标轴进行坐标旋转,即将BBCRS的正交基向量
绕 轴逆时针转Ω,得 再绕 轴逆时针转i,其中,Ω为双星轨道
升交点赤经,i为双星轨道倾角,使得 指向双星轨道平面升交点,得 即双星
轨道平面坐标系的正交单位基向量(ex,ey,ez),(ex,ey,ez)与 的关系为:
其中,R是数学上旋转矩阵的符号表示,自变量为i,Ω;
步骤S23、根据步骤S21建立的双星质心天球坐标系得到脉冲星的位置,计算双星系统延迟,
其中,b为脉冲星相对双星质心的位置,R0为BB在BCRS下的位置矢量,|R0|为R0的模,k为由于脉冲星自行造成BB的位移矢量,b||=b·R0,b||为脉冲星相对双星质心位置矢量在R0方向上的径向分量,k⊥为脉冲星自行在R0方向上的切向分量,b⊥为脉冲星相对双星质心位置矢量在R0方向上的切向分量,b⊥=b-b||R0/|R0|;
△AB=A{sin[ω+Ae(u)]+esinω}+B{cos[ω+Ae(u)]+ecosω};
其中,A、B是与脉冲星旋转轴指向、轨道尺寸有关的参数,ω为双星轨道近星点幅角,Ae(u)为脉冲星在双星轨道平面坐标系的真近点角,u为脉冲星的偏近点角,e为双星轨道离心率;n为双星轨道平均角速度,v为脉冲星在BBCRS下的速度,l为双星轨道半长轴,i为双星轨道倾角,λ、η是脉冲星旋转轴的极角,脉冲星自转轴的指向为e=cosηsinλex+sinηsinλey+cosλez;双星Einstein延迟△EB为
△EB=γsinu;
其中,γ为与轨道周期有关的理论独立的时间模型参数,u为脉冲星的偏近点角;双星Shapiro延迟△SB为
2 1/2
△SB=-2dlog{1-ecosu-s[sinω(cosu-e)+(1-e) cosωsinu]}
其中:d为理论独立的距离参数,s为理论独立的形状参数。
3.根据权利要求2所述的X射线脉冲双星光子序列仿真方法,其特征在于,所述步骤S5,具体按照以下步骤进行:
步骤S51、由步骤S21和步骤S22得到BCRS与双星轨道平面坐标系的转换关系,得到脉冲星在BCRS下的速度vpsr:
其中,vpsrx、vpsry分别为脉冲星在双星轨道平面坐标系内X轴、Y轴方向的速度分量,rpsr为双星轨道平面内脉冲星到BB的位移, 为rpsr对时间导数
为双星轨道半长轴的导数,er为考虑相对论的轨道径向离心率,er=e(1+δr),δr为相对论轨道径向变形系数,脉冲星的偏近点角u对时间导数 为轨道离
心率对时间的导数;θ为脉冲星在双星轨道平面内脉冲星的位置角θ=ω+Ae(u),ω为双星轨道近星点幅角,Ae(u)为脉冲星在双星轨道平面坐标系的真近点角;为θ对时间的导数为双 星轨 道 近星 点幅 角在 轨道 周 期内的 平 均 变化 率 ,
其中Ae(u)_e为Ae(u)对e的偏导数,Ae(u)_u为Ae(u)对u的偏导数,
步骤S52、由步骤S51得到脉冲星在BCRS下的速度vpsr,计算SSB处X射线脉冲星的接收频率fssb, 其中,n·vpsr为脉冲星速度在BCRS下BB的单位位置向量方向上的
分量,fs为脉冲星自转频率。
4.根据权利要求3所述的X射线脉冲双星光子序列仿真方法,其特征在于,所述步骤S7对航天器处的光子序列 进行动态性验证,并将航天器处的光子序列 校正回脉冲星处进行脉冲星轮廓恢复的具体按照以下步骤进行:
步骤S71、对步骤S7得到航天器处的光子序列 进行动态性验证用以得到航天器处X射线脉冲星的接收频率fsc,并对SSB处光子序列 和航天器处光子序列 进行频率搜索;
步骤S72、将航天器处的光子序列 校正回脉冲星处进行脉冲星轮廓恢复。
5.根据权利要求4所述的X射线脉冲双星光子序列仿真方法,其特征在于,所述步骤S71,具体按照以下步骤进行:
步骤S711、由步骤S51得到脉冲星在BCRS下的速度vpsr,计算航天器处X射线脉冲星的接收频率fsc, 其中,vsc为航天器速度,n·vsc为航天器速度在BCRS下BB的单
位位置向量方向上的分量;
步骤S712、将步骤S51得到的SSB处X射线脉冲星的接收频率fssb以及步骤S711得到的航天器处X射线脉冲星的接收频率fsc作为理论频率,将步骤S5得到的SSB处光子序列 和步骤S7得到的航天器处光子序列 进行频率搜索,频率搜索采用卡方统计法,对于航天器处光子序列 即首先得到光子TOA序列ti,然后由脉冲星的自转频率fs计算周期T,计算光子TOA序列ti每个光子TOA相对周期T的相位并取余,得到[0,1]区间的相位值,最后将区间划分为m个相等的bin块,统计落入每个bin块内的相位值 tf为是脉冲星的自
转频率fs的参考历元,其统计结果满足χ2分布, 其中Ni为第i个bin块中的
光子个数,N为总的光子个数, 表示bin块中的平均光子个数;光子序列针对不同脉冲星的自转频率预测值生成不同的周期T的预测值、χ2统计量值;当周期T的预测值与准确值存在差异时,计算的光子相位产生偏差,将光子分散于各个bin块,造成χ2值减小;调整周期预测值,当χ2值最大时对应的周期值也就是光子序列的准确周期,对应的搜索平均频率f′sc作为脉冲星自转频率fs的在航天器处的观测值;采用卡方统计法对SSB处光子序列进行频率搜索,得到脉冲星自转频率fs的在SSB处的观测值f′SSB;理论频率曲线通过多普勒频移公式计算得到,理论频率与光子序列实际的搜索平均频率使用均方误差评价,证明X射线光子序列进行双星系统延迟校正和太阳系延迟校正的过程是否正确。
6.根据权利要求5所述的X射线脉冲双星光子序列仿真方法,其特征在于,所述步骤S72,具体按照以下步骤进行:
步骤S721、对步骤S7得到的航天器处光子序列 进行太阳系延迟校正,得到SSB处光子序列
步骤S722、对SSB处光子序列 进行星际延迟校正,得到BB处光子序列
步骤S723、对BB处光子序列 进行双星系统延迟校正,得到脉冲星处的光子序列
脉冲星处的光子序列 需要迭代进行修正,脉冲星处的光子序列 在由BB处向脉冲星处进行校正的时候,需要计算双星系统延迟,首先要查询脉冲星在BBCRS下的位置,代入的位置查询时间不是BB处的光子序列,而应该是光子序列到达脉冲星时对应的脉冲星固有时,在求解光子序列到达脉冲星的时间时 需要计算双星系统延迟时,这时又需要确定光子序列到达脉冲星时脉冲星的位置,所以计算双星系统延迟时只能使用光子序列到达BB的时间 得到包含误差的 再将由时间序列 计算得到的双星系统延迟,进行迭代直到时间序列 达到要求的精度;
步骤S724、对脉冲星处的光子序列 进行相位折叠,即由脉冲星的自转频率fs计算周期T,计算 中每个光子TOA相对周期T的相位并取余,得到[0,1]区间的相位值,最后将区间划分为m个相等的bin块,统计落入每个bin块内的相位值 tf是脉冲星的
自转频率fs的参考历元,采用巴氏系数、皮尔逊相关系数评价由航天器处光子序列校正回脉冲星处折叠得到的脉冲星轮廓与标准轮廓的相似度,进行脉冲星轮廓恢复。
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