具有动态特性的X射线脉冲双星仿真方法研究

摘要

X射线脉冲双星是天文学和天体物理学的重要研究对象，在已经发现的脉冲星中双星数量占据了大部分，与 X射线脉冲星相比双星具有数量多，空间分布广泛，流量大等特点，是宇宙中较为适合的导航源，但双星运动增加了研究的复杂度，使脉冲星双星模拟和导航应用的报道都较少。针对脉冲双星地面模拟的需求，本文总结了脉冲双星的国内外研究进展，研究了 X射线脉冲双星坐标系的建立、双星系统延迟校正以及光子序列仿真等，主要研究工作包括： 1．针对双星系统中脉冲星运动带来的时间延迟问题，分析了双星轨道模型，研究了脉冲双星质心天球坐标系（BBCRS）、双星轨道运动平面坐标系和质心天球参考系（BCRS）的转换关系，建立了双星系统延迟、星际延迟、太阳系延迟的计算模型。 2．针对X射线光子到达时间（TOA）由SSB处向航天器处和由BB处向脉冲星处校正时，光子的实际传播途径不能事先预知的问题，提出了光子TOA迭代的计算方法，首先由SSB处、BB处的光子序列计算航天器、脉冲星的位置，计算太阳系、双星系统几何延迟，得到包含误差的航天器处、脉冲星处光子 TOA，再计算对应的几何延迟，进行迭代最后得到准确的光子TOA。 3．最后，针对X射线脉冲双星在太阳系质心（SSB）处不存在标准轮廓造成的光子序列正确性验证难的问题，提出一种利用航天器处多普勒频移验证脉冲双星信号模拟准确性的方法。利用多普勒效应求解脉冲星轨道运动造成的自转频率在SSB处、航天器处的多普勒频移，比较了理论值与频率搜索结果；利用脉冲星处的脉冲轮廓恢复，或光子TOA直接差值。结果表明：理论频率与搜索频率相比，均方误差值（MSN）分别为3.4221×10-10、4.4536×10-10，折叠得到的两次轮廓的巴氏系数（BC）为8.1891×10-4、皮尔逊相关系数（PCC）为0.99999819，光子序列差值为(-2.5,2)×10-6在误差范围以内。

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 脉冲双星的国内外研究进展

1.2.1 国内外基础研究现状

1.2.2 双星计时模型的发展历程

1.2.3 X射线脉冲星探测器的研究

1.2.4 X射线脉冲星地面仿真的研究

1.3 本论文的主要工作和内容安排

第二章 X射线脉冲星仿真理论基础

2.1 参考系与转换关系

2.1.1 天球坐标系

2.1.2 天球坐标系之间的转换关系

2.1.3 双星轨道运动坐标系

2.2 时间系统与转换关系

2.2.1 X射线脉冲双星时间系统

2.2.2 时间系统

2.2.3 时间系统转换关系

2.3 脉冲星光子序列仿真

2.3.1 脉冲星相位模型

2.3.2 脉冲星标准轮廓

2.3.3 光子到达速率函数

2.4 具有动态特性的X射线脉冲双星仿真实现框架

2.5 本章小结

第三章 双星轨道模型分析

3.1 双星轨道运动坐标系的建立

3.1.1 双星质心天球坐标系

3.1.2 双星轨道平面坐标系

3.2 双星轨道参数

3.3 轨道运动真近点角的求解

3.3.1 求解原理

3.3.2 开普勒方程的求解方法

3.4 脉冲星位置速度解算

3.5 本章小结

第四章 双星系统光子到达时间延迟校正

4.1 时间延迟校正流程

4.2 双星系统延迟

4.3 星际延迟

4.4 太阳系延迟

4.5 各延迟项分析

4.6 本章小结

第五章 具有动态特性的双星光子序列仿真及验证

5.1 双星光子序列生成

5.1.1 仿真流程

5.1.2 迭代法求解航天器处光子到达时间

5.2 动态特性验证

5.2.1 频率搜索算法

5.2.2 轨道运动多普勒频移计算

5.2.3 双星光子序列中多普勒频移分析

5.3 双星脉冲轮廓恢复

5.3.1 脉冲星处光子序列生成流程

5.3.2 迭代法求解脉冲星处光子到达时间

5.3.3 轮廓恢复结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

作者简介

1. 基本情况

2. 教育背景

3. 攻读硕士学位期间的研究成果

3.1 发表学术论文

3.2 申请（授权）专利

3.3 参与科研项目及获奖