专利名称：一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法
技术领域：
本发明属于航天器自主导航技术领域，涉及一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法。
背景技术：
脉冲星距离太阳系十分遥远，X射线光子在大尺度时空背景下经过几万年以上时间才达到达航天器探测器系统，光子在传输过程中受到弯曲时空的引力效应、航天器的在轨运动效应、以及其它各种延迟效应对X射线脉冲星导航的影响。在X射线脉冲星导航地面试验系统中，通过大尺度时空基准模拟方法，使得有限空间、静态安置的地面试验环境能模拟逼近大尺度空间和高动态X射线光子信号传输效果，这属于脉冲星导航地面试验系统的核心技术。但是目前尚未检索到有关大尺度时空基准模拟的完整设计方案或专门论述。因此，本发明从实际工程应用角度，提出一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法设计方案，以满足利用X射线脉冲星的地面试验系统应用需求。
发明内容
本发明的目的就在于一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法，从而在有限空间、静态安置的地面试验验证系统中模拟在宇宙空间尺度和高动态环境下X射线光子信号传输效果。本发明的技术解决方案步骤一，建立太阳系质心坐标系BCRS和地心参考坐标系GCRS的转换关系，为空间基准；同时，建立时间基准，利用脉冲星计时模型来实现脉冲星时校正星载时钟和地面原子时钟，从而实现同步；101，需要在广义相对论框架下对构建大尺度时空基准进行定义，具体为BCRS定义的要点如下(I)空间坐标原点为太阳系质心(SSB)；( 2)时空坐标满足谐和规范条件；(3)时空具有渐近平直的边界条件；(4)度规张量采用后牛顿近似形式；(5)空间坐标方向由国际天球参考系(ICRS)定义；(6)时间坐标为太阳系质心坐标时(TCB)。同理，地心参考系(GCRS)定义的要点如下(I)空间坐标原点为地球质心(EB)；(2)时空坐标满足谐和规范条件；(3)相对于BCRS无运动学旋转；(4)度规张量采用后牛顿近似形式；(5)时间坐标为地心坐标时(TCG)；
102，利用度规张量的后牛顿近似形式，建立BCRS系与GCRS系之间的时空转换关系；即，在BCRS系中任取一个时空坐标点(ct，x)( t = m ),同一点在GCRS系中时空坐标表示为(cT，OiT = G )。在完整的后牛顿近似下的时间坐标转换关系，即太阳系质心坐标时(TCB)与地心坐标时(TCG)的转换关系可以表示为
权利要求
1.一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法，其特征在于 步骤一，在广义相对论框架下对构建大尺度时空基准进行定义后，建立太阳系质心坐标系BCRS和地心参考坐标系GCRS的转换关系，为空间基准；同时，利用脉冲星计时模型来实现脉冲星时校正星载时钟和地面原子时钟，建立时间基准，从而实现同步； 步骤二，利用步骤一的时空基准关系，将航天器接收到的光子脉冲时间转换到太阳系质心坐标系中，同预先设置的数据库中脉冲星计时模型预报的光子脉冲到达时间进行对t匕，获得航天器至太阳系质心的时间延迟量； 步骤三，利用信号调制器，调用数据库中的脉冲星特征参数数据和标准脉冲轮廓数据，生成电脉冲轮廓模拟信号，同时，利用步骤三中得到的时间延迟量，将其加载在信号中进行调制，输出到X射线信号发生器中，从而实现航天器在空间大尺度和在轨动态环境下探测到的X射线光子脉冲模拟信号。
2.根据权利要求1所述的一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法，其特征在于步骤一中，在广义相对论框架下对构建大尺度时空基准进行定义，指的是太阳系质心坐标系BCRS定义和地心参考系GCRS定义； 太阳系质心坐标系BCRS定义的要点如下 空间坐标原点为太阳系质心SSB ； (1)时空坐标满足谐和规范条件； (2)时空具有渐近平直的边界条件； (3)度规张量米用后牛顿近似形式； (4)空间坐标方向由国际天球参考系ICRS定义； (5)时间坐标为太阳系质心坐标时TCB； 同理，地心参考系GCRS定义的要点如下 (1)空间坐标原点为地球质心(EB)； (2)时空坐标满足谐和规范条件； (3)相对于BCRS无运动学旋转； (4)度规张量米用后牛顿近似形式； (5)时间坐标为地心坐标时(TCG)。
3.根据权利要求1和2所述的一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法，其特征在于在步骤一中，利用度规张量的后牛顿近似形式，建立BCRS系与GCRS系之间的时空转换关系；即，在BCRS系中任取一个时空坐标点(ct，x)( tHT )，同一点在GCRS系中时空坐标表示为(cT，X)( T = U );在完整的后牛顿近似下时间坐标转换关系，即太阳系质心坐标时(TCB)与地心坐标时(TCG)的转换关系可以表示为
4.根据权利要求1所述的一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法，其特征在于步骤二中脉冲到达时间转换是指将脉冲到达航天器的固有时转换为该信号到达太阳系质心的坐标时的全过程，包含固有时和坐标时之间的测量时间转换模型，从航天器到太阳系质心的到达时间转换模型，以及脉冲星计时模型； (1)测试时间转换模型 整个太阳系可以近似为弱引力场，其时空近似为平直的闵柯夫斯基空间；这样，就可以直接采用太阳系质心参考系来描述航天器的运动状态，建立固有时τ和坐标时t = TCB的基本关系; 从而得到从固有时转换到TCB时间尺度的关系式，即
5.根据权利要求4所述的一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法，其特征在于在步骤二的(2)关于到达时间转换模型的构建中，对于X射线脉冲导航来说，要求航天器轨道确定精度达到IOm量级，则时间转换模型精度只要达到O.1 μ s就够了。
全文摘要
本发明涉及一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法，在广义相对论框架下对构建大尺度时空基准进行定义后，建立空间基准和时间基准，从而实现同步；利用时空基准关系，将航天器接收到的光子脉冲时间转换到太阳系质心坐标系中，同预先设置的数据库中脉冲星计时模型预报的光子脉冲到达时间进行对比，获得航天器至太阳系质心的时间延迟量；利用信号调制器，调用数据库中的脉冲星特征参数数据和标准脉冲轮廓数据，生成电脉冲轮廓模拟信号，同时，并将得到的时间延迟量加载在信号中进行调制，输出到X射线信号发生器中，从而实现模拟。该方法能在有限空间、静态安置的地面试验验证系统中模拟在宇宙空间尺度和高动态环境下X射线光子信号传输效果。
文档编号G01C21/24GK103047986SQ20121059251
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月29日 优先权日2012年12月29日
发明者贝晓敏, 帅平, 吴耀军, 徐立宏 申请人:中国空间技术研究院