一种脉冲星信号模拟新方法

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．21(2014)219701一种脉冲星信号模拟新方法贝晓敏)帅平)十黄良伟)孙海峰2)吴耀军)张倩)1)(钱学森空间技术实验室，北京100094)2)(西安电子科技大学电子工程学院，西安710071)(2014年5月20日收到；2014年6月16日收到修改稿)在脉冲星导航地面实验中，为解决地面无法接收脉冲星辐射的x射线信号的问题，必须在实验系统中模拟脉冲星辐射信号．本文提出两种全新脉冲星信号模拟方法．第一种方法基于统计物理模型，该方法克服了常用泊松模型模拟方法中仿真适应性窄、仿真速度慢和时间分辨率

2、低等不足，实现了对任意随机过程的脉冲信号进行快速高时间分辨率的仿真；第二种方法基于优化统计模型，该方法针对非齐次泊松过程信号的特性进行优化，仿真速度比常用泊松模型模拟方法提高至少30倍，对于低流量脉冲星，甚至提高4个数量级，可实现纳秒级时间分辨率仿真．关键词：脉冲星导航，非齐次泊松过程，X射线光子信号PACS：97．60．Gb，98．70．Qy,07．05．FbDOI：10．7498／aps．63．219701任务．1引言由于地球大气对X射线有强吸收作用，因此在地面上无法接收到脉冲星辐射的X射线信号；同X射线脉冲星导航是实现航天器长时间高精时，针对脉

3、冲星导航系统关键技术的地面实验验度自主导航最有希望取得突破的技术，具有重要的证，以及方案设计可行性定量论证的需求，突破脉工程应用价值和战略研究意义，备受国际航天机构冲星模拟源，大尺度时空基准、高稳定度脉冲波形关注[1J．2004年，美国国防部提出X射线脉冲星导调制和时间保持等关键技术，构建地面分布式、全航研究计划fXNAV)，目前已完成可行性论证、关通路、半物理、闭环测试验证系统[28-30]．其中脉冲键技术攻关与地面实验验证，即将在国际空间站和星模拟源是通过数学仿真系统平台，产生航天器探高轨卫星上开展空问飞行实验[2-4】．此外，欧洲空测到的脉冲星

4、辐射X射线光子信号，发送至信号控间局(ESA)、俄罗斯、德国、日本、英国、印度和澳大制设备转换成电脉冲信号，以此控制光管输出光脉利亚等国家和组织也启动了X射线脉冲星导航理冲信号；被探测器子系统接收读出包含大尺度动论方法和地面实验验证研究【5_g]．国内在脉冲星导航方面的研究相对较晚．2005年，我国开始关注脉态效应的光子到达时间序列；实现在地面实验系统冲星导航技术，跟踪国外最新研究动态，对脉冲星中对主导航算法、轮廓折叠算法等关键技术的测试理论[1O-12】、脉冲星自主导航原理[136]和导航算验证．因此，脉冲星辐射信号模拟是脉冲星导航地法[17-24

5、】都进行了系统的研究，同时开展了X射线面实验系统的核心组成部分，直接为该项目的总体探测器和地面实验系统等关键技术的攻关[2s_30]．设计和系统建设提供前提和保障．其中，构建X射线脉冲星导航地面实验系统，开展目前常用的脉冲星信号模拟方法主要是基于X射线脉冲星导航关键技术测试，评估定位、定时泊松模型[3，4，26]和递推模型．前一种方法是在和姿态测量精度指标，是脉冲星导航的基础研究脉冲星X射线辐射信号满足非齐次泊松过程的假十通讯作者．E．mail：xiaominbei~gmail．com◎2014中国物理学会ChinesePhysicalSociety

6、http：／／wulixb．iphy．ac．caaa7物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．21(2014)219701设条件下，对每个最小分辨时间间隔段内求存在光述．对应t到t+dt的时间范围内，所有的光子数为子的概率．该方法推导简洁，但存在仿真适应性窄、N(t)=A(t)dt．(3)仿真速度慢和时间分辨率低等缺陷．后一种方法由于分布函数的解析形式一般情况下很难求解，因此对比(2)式和(3)式，不妨将流量函数等效于态密度该方法不适合实际工程应用．本文首先提出了一种函数(t)=D()，则该时间段内所有的光子数对应全新的基于统计物理模型

7、的脉冲星信号模拟方法，于所有的微观状态数N(t)=(t)；而脉冲星辐射经星际衰减后到达航天器的一个光子，对应于一个该方法能够克服前两种方法的不足，实现对任意随可能的微观态，其相应的时间即为光子到达时间．机过程的脉冲星辐射信号进行快速仿真；随后，针对非齐次泊松过程的特性，本文又提出了一种基于对于给定的观测时间间隔(t0，tf)内，所有的微观状态数为优化统计模型的脉冲星信号模拟方法，该方法可以，亡f，如将仿真速度可提高至少30倍左右，甚至4个数量级f2(tf—to)=／D(t)dt=／A(t)dt．(4)(低流量脉冲星)，同时由于该方法与时间分辨率无Jt

8、oJto关，因此可以克服常用泊松模型模拟方法难以在高利用等概率原理【32l，该系统各个可能微观状态出时间分辨