本文關鍵詞：脈沖星計時數(shù)據(jù)處理與應用研究　出處：《中國科學院研究生院(國家授時中心)》2016年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：脈沖星有著良好的自轉頻率穩(wěn)定度,尤其是毫秒脈沖星,其長期自轉頻率穩(wěn)定度可以與原子鐘相媲美,因此利用毫秒脈沖星可以建立一種全新的時間尺度,即脈沖星時間尺度。由于脈沖星時與原子時所對應的物理機制不同,我們可以利用脈沖星時對原子時進行比對與檢驗。但是,有多種天體測量因素會對脈沖星計時觀測結果產(chǎn)生影響,如脈沖星位置采用值誤差、脈沖星自行采用值誤差、地球軌道半長軸采用值誤差、地球軌道偏心率采用值誤差等,從天體測量的角度對脈沖星計時觀測數(shù)據(jù)進行解析,可以分析出地球歷表誤差對脈沖星參數(shù)擬合的影響機制,并為后續(xù)脈沖星鐘模型參數(shù)和天體測量參數(shù)擬合精度的提高打下基礎。鐘模型參數(shù)和天體測量參數(shù)被精確測定的一組脈沖星可構成脈沖星時空參考架,脈沖星時空參考架可為航天器提供時空基準,是脈沖星自主導航技術的基礎。脈沖星自主導航是脈沖星時間尺度的另一個重要應用方向,這是一項天文自主導航技術,利用射電觀測數(shù)據(jù)可以對脈沖星自主導航的原理進行驗證,并對導航精度進行估計。本論文的研究工作圍繞地球質心歷表誤差對脈沖星計時觀測的影響機制、脈沖星時間尺度的建立以及單探測器脈沖星導航與原理驗證實驗這三點展開。(1)地球質心歷表誤差對脈沖星計時觀測的影響分析脈沖星計時觀測是脈沖星物理與應用研究的基本觀測手段,高精度的地球質心歷表是獲取高質量的計時觀測數(shù)據(jù)的必須條件。目前在脈沖星計時觀測中常用的也是精度最高的地球歷表是美國噴氣推進實驗室編制的DE系列行星歷表,該系列歷表是基于太陽系行星的多技術手段距離與方向觀測量以及行星的質量估計值而計算得到的,由于行星測距誤差以及質量估計誤差的存在導致DE系列行星歷表存在系統(tǒng)性誤差,尤其是地球質心歷表誤差會對脈沖星計時觀測和導航應用產(chǎn)生影響。本文對DE系列歷表中存在的系統(tǒng)性誤差進行了初步的分析,比較了不同版本的歷表之間的差值,分析結果表明外行星質量采用值誤差是造成歷表誤差的主要原因。同時對脈沖星計時殘差數(shù)據(jù)中所包含的信息從天體測量的角度進行了解析,建立了理論模型,初步分析了各歷表參數(shù)采用值誤差對脈沖星參數(shù)擬合的影響機制。(2)利用NANOGRAV的實測數(shù)據(jù)建立綜合脈沖星時間尺度在脈沖星演化的過程中,由于大質量恒星的塌縮引起半徑的不斷減小,其內核的自轉速度越來越快,最終到脈沖星形成時其自轉周期可以加快到秒量級,這其中有一類特殊的脈沖星它們的自轉周期可以快至毫秒量級,被稱為毫秒脈沖星。毫秒脈沖星有著極其穩(wěn)定的自轉周期,其自轉周期的變化率通常在1E-20(s/s)量級。脈沖星的自轉具有穩(wěn)定、可測量的特性,利用長期的脈沖星計時觀測數(shù)據(jù)可建立綜合脈沖星時間尺度。不同于現(xiàn)在廣泛使用的原子時,脈沖星時是一種以天體的宏觀運動為參考的時間尺度,脈沖星時與原子時背后所對應的物理機制完全不同,兩種時間尺度之間可以進行相互檢驗。高質量的脈沖星計時觀測數(shù)據(jù)對于提高脈沖星時的準確度和穩(wěn)定度至關重要,因此我們選用了國際脈沖星計時觀測陣(International Pulsar Timing Array,IPTA)中精度較高的北美脈沖星計時陣(North American Nanohertz Observatory for Gravitational Waves,NANOGRAV)的觀測數(shù)據(jù)來建立脈沖星時。針對NANOGRAV數(shù)據(jù)的特點建立了合適的算法和數(shù)據(jù)處理流程。最后利用最新發(fā)布的NANOGRAV長達9年的計時觀測數(shù)據(jù)計算得到了綜合脈沖星時間尺度,它的長期穩(wěn)定度(取樣間隔大于1年)達到3.4E-15。結果表明,這一系列算法和數(shù)據(jù)處理流程可有效降低脈沖星計時殘差中的噪聲影響,同時可提高綜合脈沖星時間尺度的長期穩(wěn)定度。(3)單探測器脈沖星導航方法與驗證實驗脈沖星自主導航是脈沖星時間尺度的另一個重要應用領域,傳統(tǒng)的脈沖星自主導航技術要求航天器上搭載至少4臺大面積X射線探測器,這會極大的占用航天器的有效載荷。在傳統(tǒng)脈沖星導航方法的基礎上,我們提出了一種與慣性導航系統(tǒng)相結合的單探測器脈沖星導航方法,該方法只需在航天器上搭載一臺X射線探測器,按照預先設定的順序依次觀測多顆脈沖星,結合慣性導航系統(tǒng)給出的航天器在不同觀測歷元之間的相對位置觀測值,可以解算出航天器在初始歷元的位置坐標。為驗證該方法的可行性和精度,我們利用地面射電望遠鏡的實測數(shù)據(jù)開展了驗證實驗。實驗中采用了PPTA中16毫秒顆脈沖星的觀測數(shù)據(jù),利用單探測器脈沖星導航算法解算天線的位置坐標,并將解算結果與天線的真實位置進行比較,實驗結果表明單探測器脈沖星導航方法是可行的。同時我們還在本文中研究了基于綜合孔徑觀測方案的導航星座自主時間同步方法,并給出了詳細的實施方案。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(國家授時中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：P145.6;P127.1

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