[发明专利]X射线脉冲双星光子序列仿真方法

摘要

本发明公开了一种X射线脉冲双星光子序列仿真方法，包括(1)航天器处光子序列生成方法；(2)光子序列的动态性验证方法。本发明仿真产生了航天器处脉冲双星辐射的光子序列，包含了航天器运动特性、相对论效应，将传统的单脉冲星模拟扩展到脉冲双星的模拟，增强了脉冲星导航地面验证系统的模拟能力，为脉冲星导航实验开展和空间高能观测数据处理提供了仿真数据支持。

主权项

1.X射线脉冲双星光子序列仿真方法，其特征在于，具体按照以下步骤进行：步骤S1、根据X射线脉冲双星标准轮廓生成脉冲星处光子序列双星标准轮廓h(φ)由X射线探测器的观测数据处理得到；φ(t)是脉冲星相位模型，描述脉冲星相位随时间的变化；其中t_f是脉冲星的自转频率f_s的参考历元，φ₀为初始相位，f_s为脉冲星的自转频率，为自转频率关于时间的一阶导数，为自转频率关于时间的二阶导数；光子到达速率函数λ(t)是光子到达探测器的流量随时间的函数，服从泊松分布，λ(t)＝λ_b+λ_sh(φ(t))，其中λ_b为有效背景流量，λ_s为有效源流量；步骤S2、建立双星质心天球坐标系即BBCRS和双星轨道平面坐标系以及计算双星系统延迟，双星系统延迟包括双星Roemer延迟△RB，双星光行差延迟△AB、双星Einstein延迟△EB和双星Shapiro延迟△SB；步骤S3、对步骤S1得到的脉冲星处光子序列进行校正，增加步骤S2得到的双星系统延迟，得到双星质心处的光子序列步骤S4、计算星际延迟，星际延迟包括真空传播延迟ΔVP和星际Einstein延迟ΔES，真空传播延迟是光子由双星质心即BB到太阳系质心即SSB的星际传播路径与真空光速的比值，星际传播路径受脉冲星初始距离以及脉冲星自行共同影响，其中，为BB处的光子序列，t_pos为脉冲星位置参考历元，v_||为双星质心的径向速度，a_||为双星质心的径向加速度，d_Shk为双星质心的Shklovskii距离，μ_⊥为脉冲星横向自行，|μ_⊥|为μ_⊥的模，a_⊥为双星质心的横向加速度，a_μ≡a_⊥·μ_⊥为双星质心的横向加速度在脉冲星横向自行方向的分量，c为真空中光速；星际Einstein延迟ΔES是BBCRS与质心天球参考系即BCRS下的地球动力学时之间由于相对运动造成的空间相对论时间膨胀效应，其中，v′为BB的自行速度，为SSB处的光子序列，为BB处的光子序列；步骤S5、对步骤S3得到的BB处光子序列进行校正，增加步骤S4得到的星际延迟，得到SSB处的光子序列对SSB处的光子序列进行动态性验证以得到脉冲星在BCRS下的速度v_psr以及SSB处X射线脉冲星的接收频率f_ssb；步骤S6、计算太阳系延迟，太阳系延迟包括真空阻滞即Roemer延迟△R⊙和视差延迟△p、坐标框架转换的相对论效应即Einstein延迟△E⊙和光子传播经过太阳系天体引力场时的附加延迟即Shapiro延迟△S⊙，太阳系Roemer延迟△R⊙是X射线光子信号到达航天器处与到达SSB处的简单真空路径延迟，不包括与双星运动有关的效应和脉冲星距离的影响，其中，为观测时刻BB在BCRS下的单位位置矢量，r为航天器在BCRS下的位置矢量；太阳系视差延迟△p是航天器在SSB下位置矢量r在BB位于BCRS下矢量方向的投影，其中，|R0|为R0的模；|r⊥|为航天器在BCRS下位移矢量在R0方向上的切向分量的模；太阳系Shapiro延迟△S⊙是X射线光子信号在太阳系内传播时，经过由于大质量天体造成的时空弯曲形成的时间延迟，其中，为脉冲星单位位置矢量，G为引力常量，m_i为第i个天体质量，r_i为从第i个天体到航天器的位置矢量，|r_i|为从第i个天体到航天器的位置矢量的模，ψ_i为脉冲星‑航天器‑第i个天体所成的夹角，△_S⊙2为太阳系Shapiro延迟的二阶修正项，m_s为太阳质量，ψ_s为脉冲星‑航天器‑太阳所成夹角，|r_s|为从太阳到航天器的位置矢量的模；太阳系Einstein延迟△E⊙是由于不同坐标框架下的时间系统即BCRS下的太阳系质心力学时时间系统与航天器处的地球时时间系统转换造成的时间延迟，其中，△_E⊙‑⊕为地球质心到SSB的时间系统转换延迟，s为地心指向航天器的方向向量，为地球质心相对SSB的速度，W₀为大地水准面处的地球旋转势能与引力势能之和的近似值W₀＝6.96929×10^‑10c²，为航天器处的光子序列；U_⊕为太阳系内除地球以外其他天体在地球质心处的引力势，v_⊕为地球质心相对SSB的速度，和均为高阶相对论校正项，数值分比为：t₀为航天器处的地球时时间系统即TT时间系统的初始时间，t是航天器处的TT时间系统的时间；步骤S7、对步骤S5得到的SSB处光子序列进行校正，增加步骤S6得到的太阳系延迟，得到航天器处的光子序列对航天器处的光子序列进行动态性验证，并将航天器处的光子序列校正回脉冲星处进行脉冲星轮廓恢复。