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题名	基于射电观测的脉冲星导航验证及地面应用研究
作者	韩伟
答辩日期	2020
文献子类	博士
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	王娜
关键词	毫秒脉冲星,射电观测,地面应用,导航
学位名称	理学博士
其他题名	Study on Pulsar Navigation and Terrestrial Application through Radio Observations
学位专业	天体物理
英文摘要	脉冲星作为宇宙中天然的灯塔，其脉冲到达时间具有高度的周期性和稳定性。在脉冲星到达时间换算至太阳系质心和到达时间残差的计算过程中，我们需要准确的测站坐标。如果测站坐标不准确，我们将得到错误的脉冲星计时残差。此时错误的计时残差中包含几方面的信息：到达时间的测量误差、未被模型化的物理过程或传播过程引入的计时残差，以及因测站错误坐标带来的误差。如果站点坐标误差较大，该误差会明显的反映在计时残差中。正因如此，我们可以使用脉冲星为观测站点或者航天器进行三维位置的测量。基于脉冲星导航的原理，本文利用了澳大利亚脉冲星计时阵观测数据，对帕克斯射电望远镜进行了定位实验。该实验的主要目的包括：一、基于射电观测，对脉冲星导航理论和精度进行验证；二、研究射电脉冲星用于地面导航的可行性。不同于以往脉冲星只能应用于深空导航的传统观念，脉冲星用于地面导航不仅是一种新的天文导航方式，也是脉冲星导航步入工程实践前的重要验证过程。本文分析了脉冲星的计时模型，基于国际地球参考系和国际天球参考系的相互转换，推导了射电望远镜在国际地球参考系中的测站坐标和脉冲星计时残差的关系，用于解算射电望远镜坐标。在文中我们称之为“解析法”。我们选取了9颗毫秒脉冲星进行了定位实验，这些脉冲星包括了白噪声脉冲星、弱红噪声脉冲星和红噪声脉冲星。考虑到不同脉冲星的计时残差的特性，如白噪声、弱红噪声和红噪声，分别使用了加权最小乘法和广义最小二乘法来获得最佳的位置估计。实验结果显示，对于红噪声的脉冲星，通过广义最小二乘法能取得更加可靠的位置估计。对于J0437-4715，使用475次观测数据，能达到几十米的定位精度。对于其它毫秒脉冲星，定位精度约在几十米至几百米不等。通过对定位结果进行分析，我们发现定位精度和脉冲星到达时间的观测精度有着正相关关系，与脉冲星本身的残差没有呈现明显的相关。对于这些脉冲星，我们也分别使用不同的数据跨度，以此研究时间跨度对于定位结果及精度的影响。除了解析法，我们还研究了使用格网搜索的方法进行射电望远镜的定位。格网搜索定位方法可概括如下：1、将三维空间分成若干单元格，生成射电望远镜的不同候选坐标；2、 将不同的候选坐标分别代入脉冲星的计时模型计算质心到达时间和计时残差；3、拟合脉冲星的参数，并得到各候选坐标在拟合参数后的约化卡方值和rms残差；4、选取最小约卡方值或rms残差值对应的候选坐标，将其作为射电望远镜的真实坐标。基于网格法，我们采取了不同的定位策略，包括：1、在国际地球参考系的X、Y和Z方向分别搜索；2、在X和Y的平面上搜索。网格法的定位精度显示，不同的脉冲星定位精度约在数十米到百米间不等，这与解析法的结果相吻合。我们在论文中重点分析了脉冲星的参考相位对于地面导航定位的影响。无论是解析法或者格网定位的方法，都需要绝对或者相对的脉冲星参考相位来准确的定位观测站在国际地球参考系中的Z坐标。由于目前脉冲星观测中并没有准确的测量脉冲星的绝对相位，我们提出了两种折衷的解决方案：1、使用相对脉冲星参考相位；2、 使用外部的地理信息。这两种方案都可以获得合理的测站Z坐标。为了研究毫秒脉冲星用于地面导航的可行性及其定位精度，我们使用选择PSR J0437-4715的进行了不同的实验，包括：（1）选取少量的不同次数的观测，使用解析法进行定位实验。我们验证了利用3 至4 次的计时数据，可以达到几百米的定位精度；同时，观测次数增加能明显提高定位精度。（2）使用大量观测次数，结合外部地理信息数据（数字高程模型），基于格网搜索法在大地坐标系中的经度和纬度的方向进行搜索定位，定位准确度可优于10米。（3）使用了少量观测次数和数字高程模型，基于网格法进行望远镜的定位，结果优于（1）中解析法的定位结果。
语种	中文
页码	86
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.xao.ac.cn/handle/45760611-7/4146]
专题	研究生
作者单位	中国科学院新疆天文台
推荐引用方式 GB/T 7714	韩伟. 基于射电观测的脉冲星导航验证及地面应用研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2020.

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