[论文解读] Characterization of Pulsar Sources for X-ray Navigation

Paul S. Ray, K. S. Wood+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2017

Geophysics and Sensor Technology参考文献 3被引用 6

一句话总结

本文針對國際空間站上NICER望遠鏡的SEXTANT任務，研究X射線脈衝星在航天器導航中的應用。分析了到達時間的時間噪聲、色散量變化與紅噪聲，以評估脈衝到達時間的預測精度。結果顯示，毫秒脈衝星可實現數月內亞微秒級的穩定長期導航，而蟹狀脈衝星因高不穩定性，需頻繁更新。

ABSTRACT

The Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT) is a technology demonstration enhancement to the Neutron Star Interior Composition Explorer (NICER) mission, which is scheduled to launch in 2017 and will be hosted as an externally attached payload on the International Space Station (ISS). During NICER's 18-month baseline science mission to understand ultra-dense matter through observations of neutron stars in the soft X-ray band, SEXTANT will, for the first-time, demonstrate real-time, on-board X-ray pulsar navigation. Using NICER/SEXTANT as an example, we describe the factors that determine the measurement errors on pulse times of arrival, including source and background count rates, and pulse profile shapes. We then describe properties of the SEXTANT navigation pulsar catalog and prospects for growing it once NICER launches. Finally, we describe the factors affecting the prediction of pulse arrival times in advance, including variable interstellar propagation effect and red timing noise. Together, all of these factors determine how well a particular realization of an X-ray pulsar-based navigation system will perform.

研究动机与目标

• 評估使用X射線脈衝星作為深空任務天然導航信標的可行性。
• 識別並量化影響X射線脈衝星導航中脈衝到達時間（TOA）測量精度的主要誤差來源。
• 評估毫秒脈衝星（MSPs）在長時間內的穩定性與可預測性，以適用於星載導航系統。
• 根據脈衝星噪聲特性與星际傳播效應，確定時序模型更新的需求。
• 透過分析SEXTANT在NICER上的示範任務，為未來X射線導航儀器的開發提供性能限制指導。

提出的方法

• 以國際空間站上NICER X射線望遠鏡的SEXTANT技術示範為案例研究，探討X射線脈衝星導航。
• 基於來源與背景計數率、脈衝輪廓形狀與探測器靈敏度，分析TOA測量誤差。
• 利用NANOGrav的到達時間數據，評估星际色散量（DM）變化對TOA預測精度的影響。
• 將脈衝星中的紅噪聲建模為具有陡峭功率譜的隨機過程，並在Tempo2的interpolate外掛程式中使用基於共變異的外推方法。
• 比較穩定MSPs與高度變化的蟹狀脈衝星的性能，以評估導航系統的更新頻率需求。
• 量化時序模型外推誤差隨時間的變化，顯示MSPs可實現數月可靠的外推，而蟹狀脈衝星需每~3天更新一次。

实验结果

研究问题

• RQ1 在航天器導航中，測量X射線脈衝到達時間的主要誤差來源是什麼？
• RQ2 銀河系介質中的色散量（DM）變化如何影響X射線脈衝星的TOA預測精度？
• RQ3 毫秒脈衝星中的紅噪聲在多大程度上限制了長時間TOA外推的精度？
• RQ4 為維持10公里以內的導航精度，不同脈衝星的時序模型需多頻繁更新？
• RQ5 毫秒脈衝星能否作為穩定、長期的參考時鐘，用於自主X射線脈衝星導航系統？

主要发现

• 毫秒脈衝星（MSPs）展現出與原子鐘相當的長期穩定性，可大幅減少模型更新次數，實現可靠導航。
• SEXTANT的導航精度目標為10公里（33微秒TOA精度），挑戰目標為1公里（3微秒），現有X射線儀器可達成此目標。
• 當從無線電波段外推至X射線波段時，DM變化可導致TOA預測誤差達2微秒，取決於電子柱密度波動。
• MSP中的紅噪聲會使時間殘差在數年內增加數微秒，但透過最佳共變異外推方法，可維持數月精度。
• 蟹狀脈衝星（年輕RPP）因高時間噪聲與不穩定性，需每~3天更新星歷表，以維持10微秒的預測精度。
• 具有低時間噪聲與穩定脈衝輪廓的MSP可在外推至擬合觀測區間之外數月內實現可靠的TOA預測，使其成為自主導航的理想選擇。