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POLAR伽马暴瞬时辐射偏振测量与脉冲星导航试验研究进展

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科学通报 2023年第22期68卷 2951-2960页

作者：孙建超张双南熊少林吴伯冰郑世界鲍天威董永伟高旻何江李汉成李陆李正恒刘江涛刘鑫马佳宋黎明王瑞杰王源浩吴佩莲徐岩冰杨生张来宇张永杰赵一中国科学院高能物理研究所粒子天体物理重点实验室北京100049 中国科学院大学北京100049 Department of Astronomy University of GenevaVersoix CH-1290Switzerland 上海科技大学大科学中心上海201210 成都理工大学核技术与自动化工程学院成都610059 北京师范大学天文系北京100875

伽马射线暴(简称伽马暴,gamma-ray burst,GRB)从发现至今已超过半个世纪,其观测样本得到了极大提高,理论研究也取得了瞩目的成果.但对伽马暴的研究还有诸多未解之谜,例如伽马暴的分类和起源、爆发过程中的喷流成分、辐射机制和磁场构型... 详细信息

伽马射线暴(简称伽马暴,gamma-ray burst,GRB)从发现至今已超过半个世纪,其观测样本得到了极大提高,理论研究也取得了瞩目的成果.但对伽马暴的研究还有诸多未解之谜,例如伽马暴的分类和起源、爆发过程中的喷流成分、辐射机制和磁场构型等.其中,对于伽马暴的辐射机制,科学家提出了多种理论模型,不同的模型对于伽马暴爆发期间产生的伽马射线偏振状态的预测不同.因此,采用测量偏振的方法,可以对伽马暴的爆发机制进行研究,并且理解产生伽马射线的极端相对论喷流的结构及其磁场的构型等物理问题.然而,测量伽马暴瞬时辐射过程中的偏振具有极高的挑战性.伽马暴偏振探测仪(POLAR)是一台专门用于高精度测量伽马暴瞬时辐射偏振的空间望远镜,2016年9月15日搭载于我国的空间实验室“天宫二号”成功发射.POLAR在轨共探测到55个确认的伽马暴,首批给出了5个伽马暴的高精度偏振测量结果,最终统计性地给出了14个伽马暴的偏振测量结果.同时,POLAR还观测到了Crab脉冲星信号和太阳X射线耀发事件等.本文简要介绍POLAR,并给出其在轨伽马暴偏振测量结果以及利用观测到的脉冲星信号所开展的导航试验研究进展情况.此外,简要介绍POLAR的后续实验项目POLAR-2,对其未来的科学探测能力进行展望.

关键词：伽马射线暴瞬时辐射偏振脉冲星导航伽马暴偏振探测仪

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X射线脉冲星导航的最优观测周期确定

航空学报 2023年第3期44卷 245-256页

作者：苏剑宇方海燕高敬敬赵良西安电子科技大学空间科学与技术学院西安710126 北京临近空间飞行器系统工程研究所空间物理重点实验室北京100101

最优观测周期的确定对脉冲星导航计算具有重要意义。首先推导了航天器处观测脉冲相位估计方差的理论下界,然后给出了观测脉冲相位估计误差与脉冲星观测周期之间的关系式,并以观测脉冲相位估计的均方误差最小为准则,给出了最优观测周期... 详细信息

最优观测周期的确定对脉冲星导航计算具有重要意义。首先推导了航天器处观测脉冲相位估计方差的理论下界,然后给出了观测脉冲相位估计误差与脉冲星观测周期之间的关系式,并以观测脉冲相位估计的均方误差最小为准则,给出了最优观测周期的近似计算公式,最后利用脉冲星PSR B0531+21的实测数据验证了该关系式的正确性。仿真结果表明所给最优观测周期计算公式对脉冲星PSR B0531+21的预测误差为44 s,证明了所给公式的正确性,为导航中脉冲星观测周期的确定提供了理论基础。

关键词：脉冲星导航观测脉冲相位观测周期理论下界均方误差

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X射线脉冲星导航方法研究综述

航空学报 2023年第3期44卷 19-35页

作者：郑伟王禹淞姜坤王奕迪国防科技大学空天科学学院长沙410073 北京跟踪与通信技术研究所北京100094

X射线脉冲星导航技术是一种新兴的、有潜力的航天器自主导航技术。作为导航参考源,脉冲星的自转长期稳定性极佳。因此,X射线脉冲星导航在深空探测、星座自主导航以及时间基准自主维持等领域具有较大优势。首先,对X射线脉冲星导航的背景... 详细信息

X射线脉冲星导航技术是一种新兴的、有潜力的航天器自主导航技术。作为导航参考源,脉冲星的自转长期稳定性极佳。因此,X射线脉冲星导航在深空探测、星座自主导航以及时间基准自主维持等领域具有较大优势。首先,对X射线脉冲星导航的背景意义进行了简要介绍。其次,介绍了X射线脉冲星导航2个方面的关键技术:面向导航的脉冲星数据处理技术以及脉冲星导航理论的研究进展。再次,总结了现有的以及未来可能的X射线脉冲星导航应用体制。最后,展望了X射线脉冲星导航技术的发展趋势,并对全文进行了总结。

关键词： X射线脉冲星脉冲星导航脉冲星数据处理导航滤波算法系统误差补偿

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脉冲星导航试验卫星空间计时数据的初步分析

全球定位系统 2023年第4期48卷 63-68页

作者：周庆勇张健康贾小林闫林丽樊少娟西安测绘研究所西安710054 地理信息工程国家重点实验室西安710054 安徽建筑大学数理学院合肥230601

脉冲星导航试验卫星(X-ray pulsar-based navigation-1,XPNAV-1)是我国首颗致力于探索X射线脉冲星导航技术的空间试验平台,已在轨运行七年多,获得大批观测数据,本文收集了该卫星三年多的空间观测数据,开展了一些有益的技术探索.首先处... 详细信息

脉冲星导航试验卫星(X-ray pulsar-based navigation-1,XPNAV-1)是我国首颗致力于探索X射线脉冲星导航技术的空间试验平台,已在轨运行七年多,获得大批观测数据,本文收集了该卫星三年多的空间观测数据,开展了一些有益的技术探索.首先处理分析了卫星对Crab脉冲星观测数据,得到Crab脉冲星的每轨、每天和总脉冲轮廓,结果表明,在时间维度上脉冲轮廓是稳定的,与国内外观测结果一致性较好;其次得到Crab脉冲星不同能段脉冲轮廓,分析了脉冲轮廓随能量变化特征;在能量维度上,得到了Crab脉冲星在不同脉冲相位区间的能谱,发现能谱与相位区间的脉冲强度成正比,表明我国自主研制的聚焦型X射线探测器具备良好的技术状态,也实现了卫星精确地“看得见”脉冲星的试验目标.最后利用XPNAV-1卫星的三天观测数据,实现基于最小二乘算法的脉冲星导航试验解算,得到卫星轨道确定精度约为56.93 km,分析发现XPNAV-1星对Crab脉冲星观测误差和初始轨道误差对当前导航解算精度影响较大.

关键词：脉冲星导航脉冲轮廓特征能谱导航解算脉冲到达时间

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X射线脉冲星导航空间试验进展与展望

航空学报 2023年

作者：郑伟王禹淞姜坤王奕迪国防科技大学空天科学学院北京跟踪与通信技术研究所

X射线脉冲星导航技术作为一种新型的航天器自主导航技术，是目前深空探测巡航段最有潜力的自主导航技术之一。X射线脉冲星导航的概念提出于20世纪80年代，经过数十年的发展，该技术已逐渐从理论研究走向空间试验。本文介绍了近些年国内... 详细信息

X射线脉冲星导航技术作为一种新型的航天器自主导航技术，是目前深空探测巡航段最有潜力的自主导航技术之一。X射线脉冲星导航的概念提出于20世纪80年代，经过数十年的发展，该技术已逐渐从理论研究走向空间试验。本文介绍了近些年国内外完成的脉冲星导航空间试验，系统梳理和分析了当前脉冲星导航空间试验使用的信号处理方法、导航方法和X射线探测终端。根据国内外脉冲星导航空间试验的特点，总结了目前国内脉冲星导航试验在在轨解算和X射线探测终端方面的不足。最后，结合空间试验的现状及工程应用的实际需要，对未来脉冲星导航空间试验进行了展望。

关键词： X射线脉冲星脉冲星导航空间试验脉冲星信号处理 X射线探测终端

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脉冲星导航中最优脉冲星组合选取方法

中国空间科学技术 2011年第5期31卷 64-69页

作者：褚永辉王大轶黄翔宇北京控制工程研究所北京100190 空间智能控制技术重点实验室北京100190

分析了X射线脉冲星导航原理,发现脉冲星的位置和脉冲到达时间(Time of Arrival,TOA)的测量误差直接影响导航精度。为优选导航脉冲星组合,在误差协方差分析的基础上,提出了一种导航脉冲星组合优选方法。该方法分别定义了优选指标位置精... 详细信息

分析了X射线脉冲星导航原理,发现脉冲星的位置和脉冲到达时间(Time of Arrival,TOA)的测量误差直接影响导航精度。为优选导航脉冲星组合,在误差协方差分析的基础上,提出了一种导航脉冲星组合优选方法。该方法分别定义了优选指标位置精度因子(Positioning Dilution of Precision,PDOP)和脉冲星优选指标(Pulsars Select Criteria,PSC),不仅考虑了脉冲星空间位置分布,还考虑了测量噪声差异对导航误差的影响。最后以25颗信号品质较好的脉冲星为例,仿真验证了所提方法的有效性。

关键词： X射线脉冲星位置精度因子测量噪声脉冲星导航

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脉冲星导航轮廓折叠失真与周期估计算法

宇航学报 2015年第9期36卷 1056-1060页

作者：张新源帅平黄良伟钱学森空间技术实验室北京100094

通过互相关算法对快速折叠算法(FFA)生成的系列折叠轮廓与标准轮廓模板进行比对,评估因真实脉冲周期与理论脉冲周期不一致导致的轮廓折叠失真,实现了脉冲星导航光子序列周期估计。针对在轨信号处理背景,通过采样率与分组模式的选择,确... 详细信息

通过互相关算法对快速折叠算法(FFA)生成的系列折叠轮廓与标准轮廓模板进行比对,评估因真实脉冲周期与理论脉冲周期不一致导致的轮廓折叠失真,实现了脉冲星导航光子序列周期估计。针对在轨信号处理背景,通过采样率与分组模式的选择,确定周期估计搜索范围。通过实验对本文提出的算法进行了分析,证明该算法能够利用较少的观测信息在较低信噪比环境下实现光子序列周期的准确估计。

关键词：脉冲星导航周期估计快速折叠算法

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基于GBM的X射线脉冲星导航算法研究

基于GBM的X射线脉冲星导航算法研究

作者：罗熙洪贵州师范大学

学位级别：硕士

随着航天技术的不断进步,航天器在自主导航、观测、数据分析、科学研究以及深空探索等方面所面临的挑战也越来越多。而在解决这些难题的过程中,航天器的绝对位置和相对位置显得尤为重要。相较于必须依赖信号传输才能解决通讯问题的航天... 详细信息

随着航天技术的不断进步,航天器在自主导航、观测、数据分析、科学研究以及深空探索等方面所面临的挑战也越来越多。而在解决这些难题的过程中,航天器的绝对位置和相对位置显得尤为重要。相较于必须依赖信号传输才能解决通讯问题的航天器而言,那些能够自主确定其绝对位置的航天器更具远见,因为它们拥有更高的自主性和可靠性。本论文通过利用“费米伽马射线大区域空间望远镜”(Fermi Gamma-ray Large Area Space Telescope,FLAST)上的“伽马射线暴检测器”(Gamma-ray Burst Monitor,GBM)(以下简称Fermi/GBM)及蟹状星云脉冲星Crab脉冲星的观测数据开展脉冲星导航试验的可行性研究。为此,本文选用了2021年9月11日至2021年9月26日Fermi/GBM接收到的8-900 Ke V能段内Crab脉冲星观测数据,并分析这些数据以计算出Fermi卫星的绝对导航精度约为20 km。通过本次试验,我们得到了一组关于Crab脉冲星信号应用于航天器导航的初步结果,并为未来我国对低成本且非专用导航的深空探测航天器和近地轨道卫星自主导航技术提出了一种新思路。除此之外,本论文还提出了一种全新的多卫星联合导航方法。该方法利用了“引力波暴高能电磁对应体全天检测器卫星”(Gravitational Wave High Energy Electromagnetic Correspondence All Weather Monitor,GECAM)和Fermi/GBM卫星对重复的伽马射线暴进行联合观测,例如SGR J1935+2154。通过逆时间延迟定位法(也称逆三角原理定位法),计算得到了Fermi/GBM卫星与GECAM卫星之间的绝对导航精度和相对导航精度。利用重复暴的导航方法比脉冲星导航更加经济、方便,该方法实际上不需要事先知道爆发源的位置;它只需要在拟合中包含位置(即赤纬和赤经)作为附加参数。因此,这种新的导航方法具有很好的潜力,未来可以与脉冲星导航结合用于深空探测。

关键词：脉冲星导航 Crab脉冲星 Fermi/GBM卫星 GECAM卫星 SGR J1935+2154

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X射线脉冲星导航系统模拟光源的研究

物理学报 2013年第12期62卷 574-579页

作者：盛立志赵宝升吴建军周峰宋娟刘永安申景诗鄢秋荣邓宁勤胡慧君中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室西安710119 中国科学院大学北京100039 无锡商业职业技术学院无锡214153 山东航天电子技术研究所烟台264670

介绍了X射线脉冲星导航地面模拟光源研究的必要性及非伺服的机械调制方法所存在的问题和缺陷,提出了基于栅控X射线球管的X射线脉冲星辐射脉冲模拟方法,通过电子光学设计计算,对栅控X射线管的电极结构进行设计优化,研制了栅控X射线管和... 详细信息

介绍了X射线脉冲星导航地面模拟光源研究的必要性及非伺服的机械调制方法所存在的问题和缺陷,提出了基于栅控X射线球管的X射线脉冲星辐射脉冲模拟方法,通过电子光学设计计算,对栅控X射线管的电极结构进行设计优化,研制了栅控X射线管和脉冲星模拟光源装置.实验测试了栅控球管的性能,测试结果与理论计算结果基本相符,实现了对X射线的调制;通过基于FPGA的直接数字频率合成方法,产生脉冲星的任意形状脉冲轮廓电压信号,加载至球管控制栅极,并对其出射脉冲轮廓进行测试,结果表明产生的X射线脉冲轮廓逼真程度在95%以上,模拟源频率稳定度约为2×10-11.

关键词：脉冲星导航 X射线球管栅极控制