X射线脉冲星导航中钟差的可观测性问题

标准X射线脉冲星导航(XNAV)能够求解航天器的位置信息,但航天器钟差会导致XNAV的结果产生误差.鉴于脉冲星周期的稳定性,在利用XNAV进行轨道估计中,将钟差作为状态变量进行估计的授时方案已被相关学者提出.一种针对卫星轨道修正专门设计的可观测性分析工具在文中给出,利用其能够有效地判断各个状态的可观测性情况.利用该方法分析将钟差作为状态变量的导航方案,其结果表明仅需2颗脉冲星就可以对全部轨道六根数,以及卫星钟差进行观测;仿真结果验证了可观测性分析结论,双脉冲星导航时系统可以达到60m的定位精度和60ns的授时精度.对比仿真同时揭示了该方案能够有效地抑制钟差对导航精度的影响,将由于钟差引起的定位误差减小20倍以上.理论分析与仿真表明,将钟差作为状态变量的导航方案是一种能够有效地估计钟差,并抑制钟差影响、提升系统估计精度的导航方案.     

四维黎曼时空下脉冲星导航模型精度分析

考虑深空探测中广义相对论的影响,以适应纳秒量级的计时精度要求,本文针对航天器绕飞轨道,建立四维黎曼时空下带有时间转换项的脉冲星导航系统轨道动力学模型和四维观测模型,并基于无迹卡尔曼滤波方法设计脉冲星导航算法,针对模型中的时延项对导航精度的影响进行分析。分析结果表明:在时间转换模型中引力时延、航天器偏轨时延以及绕飞行星曲率时延等因素远大于航天器曲率时延对导航精度的影响,在量测模型中太阳系的引力远大于周年视差效应和脉冲星自行对导航精度的影响。     

NPF算法在X射线脉冲星导航中的应用研究

针对X射线脉冲星导航中航天器模型的强非线性、高阶模型不确定性等问题,提出应用非线性预测滤波(NPF)算法实时估计航天器的轨道信息。首先,建立具有模型不确定性的X射线脉冲星导航定轨指标函数,优化得到满足指标函数最小的系统模型误差值,通过降低模型不确定性的影响来提高航天器自主定轨精度。对STK生成的“火星探路者”和“金星快车”及“北斗一号”三种航天器轨道数据进行分析,仿真结果表明,该算法比EKF算法具有更高的定轨精度,能够满足深空以及近地轨道航天器的自主定轨精度指标要求。     

X射线脉冲星导航中相位模糊度解算

分析了脉冲星相位观测量的特点,介绍了采用单差、先双差后单差、航天器钟差辅助检验等三种模糊度搜索方法.利用仿真数据对比了三种方法检验的效果.通过计算,先双差后单差检核方法明显优于单差检核的方法.解算航天器钟差同样可起到辅助检核的作用,提高模糊度搜索的成功率.模糊度搜索受时间误差、脉冲星位置误差的影响较小,受相位误差影响较大.进行模糊度搜索时,在寻求较少模糊度组合数的同时,应优选几何结构好、测距误差小的脉冲星组合.     

基于X射线脉冲星自主导航中UKF滤波算法的仿真研究

基于X射线脉冲星的航天器导航是新的自主导航技术.鉴于该导航系统所建的状态方程和测量方程都是非线性的,本文给出在X射线脉冲星导航中采用UKF(Unscented Kalman Filter)算法仿真研究,并与传统的EKF(Extended Kalman Filter)算法进行对比分析,仿真结果显示,采用UKF算法时的导航精度比EKF算法有显著提高.     

基于脉冲星联合定位模型的TOA预测模型误差修正算法

为提高脉冲星导航定位精度，修正脉冲信号到达时间的预测误差，文章提出一种基于多航天器联合观测数据的脉冲到达时间预测模型误差修正算法。该算法利用航天器和基准站之间的联合观测数据，通过相关运算测量脉冲到达时间差；通过数学推导得出航天器与基准站之间的位置关系与脉冲到达时间预测模型的关系；利用扩展卡尔曼滤波算法融合多颗不同辐射方向的脉冲星的脉冲到达时间差，实时在线修正预测模型参数误差。仿真实验结果表明，当观测时间超过100秒时，该方法可抑制脉冲信号到达时间预测模型的漂移误差。该方法可用于基于脉冲星的深空探测器自主导航系统，提高导航定位精度和脉冲信号到达时间预测精度。     

基于脉冲星的空间飞行器自主导航技术研究

研究了利用X射线脉冲星实现空间飞行器自主导航的原理,指出通过测量脉冲星发射的脉冲到达航天器与到达太阳系质心的时间差可以确定该航天器的位置。给出了两种适合用于处理脉冲星观测量的方法,即基于最小二乘(LS)的方法和基于卡尔曼滤波(KF)的方法。通过数值仿真验证了X射线脉冲星自主导航技术的可行性,并且说明采用KF算法能够有效利用卫星轨道运动方程中包含的导航信息,从而获得更高的导航精度。     

X射线脉冲星导航原理

X射线脉冲星导航是以脉冲星的X射线辐射信号作为信息输入,经过相应的信号和数据处理,为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等导航信息的实现过程。首先提出了基于X射线脉冲星的卫星自主导航的基本框架和实现流程;然后,概述X射线脉冲导航的时空基准,重点研究X射线脉冲星导航定位的测量方程、系统状态方程及其噪声统计特征等数学模型。最后,详细论述卫星自主导航信息处理的鲁棒滤波算法,即经典算法和现代鲁棒滤波算法。从理论方法和工程应用角度,初步论证X射线脉冲星导航的原理可行性和算法可实现性。     

X射线脉冲星导航及其潜在应用

X射线脉冲星导航就是在航天器上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,测量脉冲到达时间（TOA）和提取脉冲星影像信息,经过相应的信号和数据处理,航天器自主高精度确定轨道、时间和姿态等导航参数的实现过程。本文在概述脉冲星导航技术发展历程和国外X射线脉冲星导航计划的基础上,分析国内开展X射线脉冲星导航技术研究的基础条件,并详细论述X射线脉冲星在导航卫星自主导航、深空探测与星际飞行、以及空间科学研究等领域的潜在应用价值。这表明X射线脉冲星导航是实现真正意义上的航天器高精度自主导航的一种有效模式和可行途径,对于国防和国民经济建设具有重要的战略研究意义。     

勇闯航天器自主导航技术前沿(下)——来自世界首颗X射线脉冲导航试验卫星的报告

<正>三、实施X射线脉冲导航试验卫星工程的重大意义利用脉冲星实现航天器长时间高精度自主导航与精密控制,是实现航天器自主导航的重大战略发展方向,具有潜在的工程应用前景。深入开展X射线脉冲星自主导航技术研究,加速脉冲星导航技术的发展,对于推动航天技术革命,推动国民经济和社会发展,促进技术进步具有十分重大的意义。1.增强民族自信,提升综合实力,实现"中国梦"的需要脉冲星导航是实现航天器长时     

基于改进粒子群优化LS-SVM的卫星钟差预报研究

针对导航卫星短期钟差预报精度和稳定度不高的问题,提出了一种基于改进粒子群优化（PSO）最小二乘支持向量机（LS-SVM）的卫星钟差预报方法。通过引进自适应改变的惯性权重和学习因子来提高粒子群算法的寻优能力,并将其应用到LS-SVM的参数优化中,避免人为选择参数的盲目性,提高了LS-SVM的泛化能力和预报精度。选取国际GPS服务组织（IGS）产品中四颗典型卫星的钟差数据,分别采用LS-SVM模型、神经网络模型和灰色系统模型进行短期钟差预报,计算结果表明：LS-SVM模型的预报精度优于其它两种模型,为导航卫星短期高精度钟差预报提供了新的思路。     

一种无源北斗/惯导闭环组合算法

提出了一种北斗卫星定位系统和惯性导航系统的组合导航无源定位算法。以伪距率为观测量,基于高稳定度用户时钟,结合北斗系统的热备份星,在三星共视下用两级卡尔曼滤波器对惯导进行闭环校正。给出了组合导航系统的构成,以及第一、二级滤波的数学模型。该法能根据收星情况在闭环与开环方式间稳定转换。仿真结果表明,此算法可提高丢星时组合导航系统的滤波定位精度,有效校正惯导的姿态误差角,并以较高的精度估计用户的三维速度。     

一种利用泛函网络进行导航卫星钟差预报的方法研究

为提高导航卫星钟差预报的精度和实时性,提出一种基于多项式和泛函网络相结合的钟差预报方法。该方法首先根据卫星钟的物理特性用多项式进行拟合,并用泛函网络对多项式拟合残差进行建模,其中泛函网络的结构是通过小波降噪及相空间重构的方法确定。最后以GPS卫星为例,进行四组短期预报实验。结果表明,所提方法能够实时有效地对导航卫星钟差进行拟合和预报,且精度优于IGUP星历。     

An algorithm for estimation and separation of ephemeris and clock errors in SBAS

The estimation and separation of ephemeris and clock errors is an integral part of a SBAS (Space Based Augmentation System). Generally, the global solution is based on the full state approach for satellite errors (ephemeris and clock) and station errors, using a large least square estimator; or the other way is to sequentially estimate the ephemeris and clock through a Kalman filter, using a complex model of the satellite dynamics. In this paper, the estimation and separation of ephemeris and clock errors is addressed through a unique approach of combining both the methods. The algorithm employs measurements, which are pre-processed for various errors and known biases. A single difference technique is used to separately estimate the ephemeris and clock components. The ephemeris Kalman filter uses a priori information of ephemeris errors along with measurements through a minimum variance estimator to provide ephemeris error estimate. A similar approach is adopted in the clock error estimation process, to provide clock and clock rate estimates. The algorithm results are presented using simulated data for known errors in ephemeris/clock and subsequent retrieval. This algorithm estimates these errors as corrections to the broadcast Global Positioning System (GPS) navigation data, required by a SBAS user for accuracy improvement.     

基于北斗Ka星间链路的地面用户导航方法

针对导航系统L频段信号易受到有意或无意的干扰和欺骗，而导致地面区域性导航服务性能下降甚至失效的问题，提出了一种利用北斗Ka星间链路信号为地面用户提供导航服务的方法。首先，对该方法的可行性进行了研究，并给出了星间链路时分体制下的用户测距模型;然后，提出了基于时钟模型和惯导信息的测距值历元归算方法，并推导了基于北斗星间链路测距值的地面用户实时定位算法;最后，通过数值仿真分析了不同因素对算法性能的影响。仿真结果表明，该方法定位精度可达2.0 m以内，能够在一定程度上弥补L频段导航信号区域性失效带来的缺失。     

基于自适应差分进化和BP网络的罗盘误差补偿

To improve the acuuracy of heading angle measured by electronic compass, a new error compensation method is proposed based on adaptive differential evolution algorithm and BP neural network. In the method, the 3 layer BP neural network is used to model heading angle error, and adaptive differential evolution algorithm is adopted to train the weights of network, thus obtaining a more exact error model, and compensating the heading angle error measured by electronic compass. Compared with other compensation methods such as 8 position least squares, BP neural network, differential evolution algorithm for optimizing BP neural network, and so on, its error compensation accuracy is significantly improved, the method has strong global optimization ability, great convergence rate, good stability, and so on. The experimental results show that after compensation, the error range of heading angle is decreased from -16°~30.7° to -0.22° ~0.2°, which satisfies the needs of higher accuracy navigation systems.     

基于三轴磁强计与雷达高度计的融合导航算法

为了减小近地轨道(小于1000km)地磁导航的估计误差协方差，提高导航的可靠性和准确性，在地磁导航系统中引入雷达高度计作为一个新的测量设备，提出了一种基于三轴磁强计与雷达高度计的融合导航算法。该算法取卫星的位置和速度向量作为状态向量，建立状态方程；取卫星周围的磁场强度和卫星到星下点实际海平面距离求出的地心距，作为观测量建立观测方程；利用扩展卡尔曼滤波构成一种融合导航算法。仿真结果表明，提出的融合导航算法对轨道位置的估计误差小于20米，速度的估计误差小于1米／秒，导航算法的精度和收敛性都优于使用单一地磁导航的系统。     

脉冲星辐射脉冲信号辨识的新算法

为了提高脉冲星辐射脉冲信号辨识的效果和速度,提出了一种基于S变换的脉冲星辐射脉冲信号辨识算法。通过对脉冲星辐射脉冲信号的累积脉冲轮廓进行时频分析得出,在不同观测频率和不同信噪比的条件下,脉冲星累积脉冲轮廓S变换的时频分布图基本不变。基于这种稳定的时频特征,采用最小标准化欧式距离分离器对脉冲星信号进行辨识。实验表明,方法具有良好的抗噪性能,且识别率和运算速度均优于基于小波和双谱算法。