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X射线脉冲星信号辐射的数值模拟方法.docx
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X射线脉冲星信号辐射的数值模拟方法.docx
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X 射线脉冲星导航是当前发展航天器自主导航技术的重要研究方向,能为深空和星际
飞行器的自主导航提供有效技术支撑
[1-2]
。脉冲星导航技术的研究主要包括 3 方面工作:建
立与维持高精度的导航用脉冲星星表;研制高性能轻便型 X 射线探测器;发展完备的导航
理论与算法
[3]
。通过大量观测获取丰富的脉冲星 X 射线探测数据是开展以上相关研究的基
础。由于 X 射线信号无法穿过大气层到达地面,现有空间观测手段在技术和平台方面存在
一定的局限性,导致实测数据不能完全满足当前研究的需要。探讨如何在实验室建立一套
X 射线辐射系统,实现对脉冲星 X 信号的逼真模拟,成为脉冲星导航研究面临的重要问题
[4]
。为此,国内外已有相关研究机构建立了地面试验系统,分别采用实物和数值两种方法
实现对脉冲星 X 射线辐射信号的模拟。
在实物模拟方面,美国国家航空航天局戈达德飞控中心于 2012 年前建立了地面实验
系统,所研制的 X 射线源模拟器能够精确模拟脉冲星流量密度、自转频率、统计轮廓和相
位等相关参数,有效支撑了 X 射线定时和导航技术的空间站探测器(station explorer for
X-ray timing and navigation technology,SEXTANT)任务的实施
[5-6]
。与美国相比,中国
多家单位也同期展开实物模拟研制,如国防科技大学
[7-8]
、中国科学院西安光学精密机械研
究所
[9-10]
、中国科学院高能物理研究所
[11]
、西安电子科技大学
[12-13]
等分别基于不同原理建立
实物模拟系统。
在数值模拟方面,2004 年,Sale 等
[14]
提出了基于泊松点过程的数值模拟方法;2010
年,Emadzadeh 等
[15]
进一步发展了该理论方法,基于非齐次泊松过程(non-
homogeneous Poisson process,NHPP)进行了算法实现;基于该算法,李建勋等
[16]
研
究了 X 射线脉冲星信号的最大似然到达时间(time of arrival,TOA)估计;Yu
[17]
研究了地
球空间轨道的 X 射线脉冲星导航性能;2015 年,桂先洲等
[18]
对 NHPP 算法进行了改进,
通过利用分段函数模拟脉冲轮廓,解决了由于脉冲轮廓函数积分及积分函数的反函数不易
求解的问题。
基于以上研究成果,本文对基于 NHPP 的 X 射线脉冲星信号模拟方法进一步改进,
主要采取了齐次泊松过程(homogeneous Poisson process,HPP)与经典概率相结合的
数值模拟方法,与前述方法相比,避免了对轮廓积分函数及其反函数的求解问题,简化了
计算流程,提高了算法适用性,并通过算例验证了该方法的正确性。
1. 数值模拟理论与方法研究
脉冲星距离遥远,所辐射的 X 射线信号到达地球附近空间后会变得十分微弱,需要用
探测面积大、背景噪声低的轻便型探测器接收。X 射线探测器通过记录入射光子与探测器
碰撞时的响应时刻,达到测量光子 TOA 的目的。由于脉冲星 X 射线信号非常弱,一般情
况下,不会出现两个以上光子同时到达探测器的事件,加之探测器存在死时间,无法同时
识别两个以上的光子碰撞事件,因此,X 射线脉冲星信号的探测过程与泊松过程较为类
似。泊松过程是随机过程的一种,它以事件发生的时间定义,在每一个时间间隔内发生的
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