一种大尺度时空及在轨动态效应模拟方法

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。

主权项

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比，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，利用步骤二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，从而实现对航天器在空间大尺度和在轨动态环境下探测到的X射线光子脉冲信号的模拟；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),t＝TCB，同一点在GCRS系中时空坐标表示为(cT，X)，T＝TCG；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的转换关系表示为$\begin{array}{c}TCB-TCG=\frac{1}{c^2}\left[{\int }_{t_0}^t\left(\frac{1}{2}{v}_E^2+w_{0ext}\left(x_E\right)\right)dt+v_E·\left(x-x_E\right)\right]\\ -\frac{1}{c^4}{\int }_{t_0}^t\left[-\frac{1}{8}{v}_E^4-\frac{3}{2}{v}_E^2{w}_{0\mathrm{ex}t}\left(x_E\right)+4v_E^i{w}_{ext}^i\left(x_E\right)+\frac{1}{2}{w}_{0ext}^2\left(x_E\right)\right]dt\\ +\frac{1}{c^4}\left[3w_{0ext}\left(x_E\right)+\frac{1}{2}{v}_E^2\right]\left[v_E·\left(x-x_E\right)\right]\end{array}---\left(3\right)$式中，TCB为太阳系质心坐标系BCRS中的任取一点的坐标时，同一点在地心参考坐标系GCRS中坐标时表示为TCG，x为太阳系质心坐标系BCRS中的任取一点的空间坐标；X为地心参考坐标系GCRS中的任意一点的坐标时；x_E、v_E分别表示地球质心在太阳系质心坐标系BCRS中的位置和速度矢量；v_E表示速度矢量v_E的模，为速度矢量v_E的二次方；为速度矢量v_E的四次方；w_0ext(x_E)表示除地球之外的太阳系其它天体在地心处的牛顿引力位之和；表示除地球之外的太阳系其它天体在地心处的引力矢量位之和；为地球质心在太阳系质心坐标系BCRS中的速度分量；积分上限t＝TCB为太阳系质心坐标系BCRS中的任取一点的坐标时，而下限t₀表示给定的基准时刻；c表示真空中光的传播速度；在完整后牛顿近似下太阳系质心坐标系BCRS和地心参考坐标系GCRS中空间坐标转换关系为$\begin{array}{c}X=x-x_E+\frac{1}{c^2}\{\frac{v_E·(x-x_E)}{2}{v}_E+w_{0ext}\left(x_E\right)(x-x_E)+[a_E·(x-x_E)](x-x_E)\\ -\frac{1}{2}\left|\right|x-x_E\left|{|}^2{a}_E\right\}+O\left(c^{-4}\right)\end{array}---\left(4\right)$式中，x为太阳系质心坐标系BCRS中的任取一点的空间坐标；X为地心参考坐标系GCRS中的任意一点的空间坐标；x_E、v_E分别表示地球质心在太阳系质心坐标系BCRS中的位置和速度矢量；w_0ext(x_E)表示除地球之外的太阳系其它天体在地心处的牛顿引力位之和；a_E表示地球质心在太阳系质心坐标系中的加速度矢量；c表示真空中光的传播速度；O(c^‑4)表示高阶小量。