[发明专利]在轨X射线脉冲星计时模型构建方法

说明书

本发明提供一种在轨X射线脉冲星计时模型构建方法。所述在轨X射线脉冲星计时模型构建方法通过X射线脉冲星光子到达时间预处理、高精度的脉冲星自转频率计算、计时模型的初值区间估计、观测脉冲轮廓重构、高精度的脉冲到达时间估计和鲁棒的计时模型估计几种计算方法有机结合，有效解决了X射线信号强度弱、观测平台动态强所引入的数据问题，可提供X射线脉冲星导航所需的高精度脉冲星位置和时间等星历信息，实现精准导航。本发明适用于地球或其它行星的轨道卫星或星座的自主运控。

技术领域

本发明涉及天文导航领域，尤其涉及一种在轨X射线脉冲星计时模型构建方法。

背景技术

X射线脉冲星导航是一种新型自主导航方式，可以在单一仪器上自主完成航天器位置、速度和时间等信息测量，能够为近地、深空以及行星际飞行航天器提供有效的导航与授时解决方案，被认为是未来深空自主导航领域最具潜力的导航与授时方式之一。

构建X射线计时模型是脉冲星导航系统的基础性工作。对于脉冲星自主导航而言，随着传输距离的增加以及星际遮挡等原因，无法依靠地面测控系统实时、连续地传输射电计时模型参数，此外，当导航脉冲星存在周期跃变等自转周期不规则现象时，需要利用X射线观测数据，重新评估原模型参数，并建立新的脉冲星计时模型。因此，利用X射线观测数据独立自主地建立计时模型对航天器自主导航具有明显的支撑作用。

构建X射线计时模型是获得脉冲星时的关键技术。脉冲星辐射的信号的重复周期均匀性好、频率间隔精度高、并且能连续稳定运行，符合公认的钟的原理与特征，在建立脉冲星时过程中，需要描述脉冲星的自转频率、脉冲到达时间与原子时的数学关系，因此，精确的脉冲星计时模型是分析和建立脉冲星时的关键环节。

构建X射线计时模型还是脉冲星辐射机理研究的重要补充手段。对于有些类型的脉冲星，比如PSR J0205+6449，先测到X射线接着才测到射电波段信号，随着X射线巡天的深入开展，未来会发现更多此类脉冲星，在未知其射电计时模型时，建立其X射线计时模型研究其辐射机理就显得至关重要。同时，建立X射线计时模型还可以与射电计时模型相互验证，为射电计时模型中存在的色散等误差源提供参考。

2016年10月8日，我国的“脉冲星试验卫星”成功发射，目前也已将构建X射线计时模型列为此次观测试验的一项科学和技术目标。

由于脉冲星在射电和X射线电磁波段均有辐射，所以脉冲星计时模型又可以分为射电计时模型和X射线计时模型，但与射电计时数据处理相比，X射线观测主要存在以下两个主要问题：

(1)X射线观测平台的动态性高。射电观测平台是地面的射电望远镜，而X射线观测平台则是星载X射线探测器。由于脉冲星观测可以认为是一种相对观测，地球自转周期24小时，而近地轨道卫星的自转周期仅100分钟，射电观测站的角加速度要远远低于卫星平台，两种平台的动态性会给信号处理带来较大差异，从而影响时间校正方法。

(2)X射线信号强度弱，射电信号通过大型天线也能转换成电信号，而X射线是随机分立的光子信息，这种弱信号的特性给X射线数据处理方法带来了很大的不同，包括到达时间校正方法、频率搜索方法、脉冲TOA估计方法、以及在初始相位不精确条件下，计时模型的代价函数设计等，这些方法均需要重新改正与设计。

现有的射电计时模型处理方法较为成熟，但由于X射线数据形式、平台动态、信号强度等与射电观测有很大的差异，尤其是以上两个问题的存在，需要改进和设计X射线计时模型构建方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用X射线观测数据计算脉冲星计时模型的方法框架。

本发明提供一种在轨X射线脉冲星计时模型构建方法，步骤一，X射线脉冲星光子到达时间预处理：将近地轨道航天器探测的光子到达时间的固有时转换到太阳系质心坐标系下的坐标时，对于航天器处测量的X射线光子到达时间假设用τ_obs表示，那么相应的SSB处的光子到达时间为