基于扩展卡尔曼滤波的XPNAV-1卫星自主定轨算法研究

X射线脉冲星导航1号（XPNAV-1）是全球首颗脉冲星导航专用试验卫星。利用该卫星观测的单颗脉冲星数据,采用几何约束方法,能够有效抑制轨道误差增长,但存在长时间定轨发散问题。针对XPNAV-1卫星拓展试验任务及脉冲星导航后续发展需求,利用多颗脉冲星的观测数据,研究基于扩展卡尔曼滤波（EKF）的卫星自主定轨算法。首先,建立该卫星的轨道力学模型和观测方程;然后,详细论述EKF滤波算法和分段式定常系统（PWCS）的可观测性分析方法;最后,通过综合分析XPNAV-1卫星的观测数据、脉冲星对该卫星轨道的覆盖性以及系统状态的可观测性,进行自主定轨算法试验。试验结果表明,基于EKF的自主定轨算法滤波过程收敛,验证了该算法的合理性和有效性。     

脉冲星导航试验卫星时间数据分析与脉冲轮廓恢复

脉冲星导航试验卫星(X-ray Pulsar-based Navigation-1,XPNAV-1)是中国致力于脉冲星导航空间试验验证的首颗试验卫星,旨在研究X射线光子时间数据处理分析方法,通过实测数据恢复脉冲轮廓,以验证使用国产X射线探测器观测脉冲星的能力。文章对XPNAV-1卫星科学试验任务作了介绍,给出了光子时间数据处理的步骤,建立了脉冲星X射线大尺度延时模型;针对XPNAV-1卫星实测蟹状星云(Crab)脉冲星数据,借助大尺度延时模型将光子到达时间改正到了惯性参考点,使用历元折叠方法获得了Crab脉冲星脉冲轮廓曲线,其特征的双峰结构表明国产探测器成功实测了Crab脉冲星观测。     

脉冲星导航试验卫星科学观测数据分析

脉冲星导航试验卫星是我国发射的一颗专用试验卫星.经过4个多月的在轨观测,该卫星已成功获取了大量观测数据.介绍利用该卫星搭载的掠入射聚焦型X射线探测器在近4个月中对PSR B0531+21获得的观测数据第一批处理结果.本文详细阐述掠入射聚焦型X射线探测器的观测模式,给出脉冲星观测数据的处理方法以及脉冲星参数的拟合过程,利用基于第一手观测数据的脉冲星精化参数验证掠入射聚焦型探测器在轨工作性能,得以回答使用国产X射线探测器是否能够“看得见”脉冲星问题.     

脉冲星导航的天体测量考虑

X射线脉冲星导航是基于X射线脉冲星观测,经过信号处理得到脉冲到达时刻序列,进而分析该时间序列提供导航相关信息的技术。为了分析脉冲星导航的可行性和依赖条件,从概念上描述了脉冲星的观测模型,并比较了射电脉冲星观测和X射线脉冲星观测数据处理过程;进而从天体测量的角度论述了脉冲星导航可行性的相关问题,主要包含观测量的获取、整周模糊度和应用范围3个问题。经分析可知:观测量的获取与观测者的速度有关,该速度可通过最大化观测轮廓法确定;对于深空和超深空导航,整周模糊度是首先需要解决的问题,脉冲星的位置精度也是需要考虑的因素。理论上X射线脉冲星导航可以应用于近地和深空探测。     

基于X射线脉冲星导航试验卫星观测数据的到达时间估计

中国首颗X射线脉冲星导航试验卫星（X-ray Pulsar Navigation-1, XPNAV-1）搭载了两种体制的X射线探测器,其主要任务是在轨开展X射线脉冲星的探测以及进行脉冲星导航体制的验证。为了实现到达时间（Time of Arrival,TOA）的高精度估计,提出了利用阵列信号处理领域的多重信号子空间分类（Multiple Signal Classification,MUSIC）方法进行脉冲星导航的TOA估计,进行了试验仿真验证,并且对XPNAV-1观测到的蟹状星云（Crab）脉冲星的光子数据进行处理。在观测时间为协调世界时（Coordinate Universal Time,UTC）57727.0约简儒略日（Modified Julian Day,MJD）到UTC57812.0MJD内,选取了0.5~10keV频段内的121段光子观测数据,对这些数据进行了脉冲轮廓折叠,得到了Crab脉冲星的折叠轮廓,然后分别利用互相关法和MUSIC方法进行折叠轮廓的TOA估计,最后对比了两种方法的估计结果。     

北斗卫星导航系统X射线脉冲星可见性分析

X射线脉冲星可以为深空乃至近地航天器提供全源、自主、高精度的导航服务.对近地航天器而言，由于中心天体的遮挡，脉冲星信号并非全程可见，所以X射线脉冲星的可见性成为近地导航应用中挑选脉冲星的关键因素，也是脉冲星导航的首要工作.本文对挑选出的30颗X射线脉冲星在北斗系统7个轨道面上的可见性进行了仿真分析，得出了一天内可见脉冲星数量的变化情况以及一年内太阳、地球和月球遮挡的仿真结果,总结了影响脉冲星可见性的天体的遮挡规律，为利用脉冲星对北斗卫星进行自主定轨和守时提供了数据支持.     

基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航

基于星间链路的导航星座自主导航,存在星座整体旋转误差随时间累积问题,致使星座难于长时间自主运行。X射线脉冲星导航为星座整体旋转问题提供了一种新的解决途径:在导航卫星上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,整合脉冲轮廓和提取影像信息,星载时钟记录脉冲到达时间,经过星载计算机处理得到卫星位置、速度、时间和姿态等导航参数;脉冲星辐射的X射线信号为导航卫星提供了绝对时空基准,不存在星座整体旋转问题。在简要论述基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航的基本概念、系统组成和几何原理的基础上,重点研究了导航卫星轨道确定与时间同步的自适应卡尔曼滤波算法,并通过数值分析试验,初步论证利用X射线脉冲星解决自主导航星座整体旋转问题的可行性和合理性。     

基于虚拟观测值的X射线单脉冲星星光组合导航

传统的X射线脉冲星导航系统需要同时观测3~4颗脉冲星,有效载荷的质量和功耗极大。因此,单探测器脉冲星导航技术是实现航天器利用X射线脉冲星导航的关键举措。针对单探测器脉冲星导航的可观测性弱和精度低等问题提出了基于虚拟观测值的X射线单脉冲星与星光集中式组合滤波的高精度导航方法,即在X射线脉冲星的长周期内增加与星光同时刻观测的虚拟观测值,以实现高精度的集中式组合滤波算法。同时提出了利用神经网络预测虚拟观测值方法,并与利用动力学递推的方法进行比较,精度可以达到10-7量级。仿真结果表明,该方法可大大提高单探测器的导航的可靠性,补偿由于探测器误差造成的导航误差,导航位置误差为259.79 m,同时有效地减小了导航系统的重量,为X射线脉冲星导航的工程实现提供了参考依据。      

X射线脉冲星/SINS组合导航研究

X射线脉冲星导航是一种新兴的天文导航方法, 该导航方法可靠、稳定, 不受近地空间的限制, 但在轨道机动过程中导航精度不高. 针对此问题提出了X射线脉冲星/SINS组合导航方法, 对该方法的应用效果进行了数值仿真分析. 结果表明, X射线脉冲星/SINS组合导航在轨道机动过程中具有较高的导航精度, 有效抑制了惯性导航误差随时间的漂移, 提高了X射线脉冲星导航方法的通用性, 为X射线脉冲星导航的工程应用奠定了理论基础.      

基于FPGA+DSP的X射线脉冲星导航原理样机的设计与实现

为了验证X射线脉冲星导航算法在星载计算机环境下的实时性和适用性,设计了基于FPGA+DSP架构的X射线脉冲星导航原理样机,导航原理样机中的FPGA用于系统的逻辑控制以及光子数据的存储;DSP则用于将接收到的光子数据进行转换、脉冲折叠、脉冲数据互相关处理、数据插值以及最小二乘滤波等算法。最后搭建了X射线脉冲星导航地面半物理仿真系统,系统以光子到达时间残差作为观测量,结合卫星轨道动力学模型,基于滤波算法实现航天器的导航定位。仿真结果表明,导航位置误差优于10 km,速度误差优于1 km/s。     

脉冲星X射线数据处理与分析

综述了脉冲星X射线数据处理的基本方法和流程,对航天器观测到的X射线数据基本格式、原始数据处理、时间分析、谱分析等内容进行了概括性描述,并以美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的X射线探测任务NuSTAR(The Nuclear Spectroscopic Telescope Array)和NICER(Neutron Star Interior Composition Explorer)为例,进行了数据处理的举例,得到了初步的处理结果,可为脉冲星导航和脉冲星天文研究提供参考。     

分时段实时观测脉冲星的单探测器导航方法

传统的X射线脉冲星导航系统需要同时观测3~4颗脉冲星,有效载荷的质量和功耗极大。针对航天器环地飞行中受地球遮挡、探测器可探测范围等因素影响,导致脉冲星并非所有时刻均可见的现象,提出了单探测器分时段实时观测脉冲星的导航方法。根据航天器的实际飞行情况,系统分析探测器在不同探测范围下对脉冲星实时的可见性状况,从每时段的可见星中选取单星进行导航。仿真表明,该方法可大大提高单探测器的导航性能,导航位置误差达到337m,同时有效地减小了导航系统的重量,为X射线脉冲星导航的工程实现提供了参考依据。     

一种新的SINS/GPS深组合导航系统设计

为了提高GPS在高动态、强干扰条件下的跟踪性能和导航精度,提出了一种新的SINS/GPS深组合导航方案.利用卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪回路,能够同时完成所有可视卫星信号和组合导航信息处理的任务;利用矢量跟踪算法加强各跟踪通道相互关联,增强跟踪通道对信号载噪比变化的适应能力,从而提高接收机在信号中断条件下的导航性能;利用相关器输出的I和Q路测量值直接作为导航滤波器的观测量,减小滤波过程残差,可以提高组合导航系统的导航精度和跟踪性能.仿真验证表明,这种基于矢量跟踪的深组合导航方案不仅在GPS信号中断期间能够保证系统的导航精度和可靠性,而且在低载噪比条件下可以增强导航系统的跟踪性能以及抗干扰能力.     

HiPeG: A high performance balloon gondola for fine angular resolution X-ray telescopes

A platform for balloon-borne hard X-ray experiments capable of tens of arcsec pointing accuracy is a necessary condition for the new generation of high angular resolution X-ray telescopes. We have designed a new multi-mission platform in which the attitude determination system is based upon a high performance GPS and a star sensor equipped with a high-dynamic range CCD detector. The device is an autonomous and flexible system which, by means of efficient star identification and tracking algorithms, permits a fine dynamical pointing and reconstruction of the pointing trajectory down to the arcsec level. This paper presents specifications of the gondola and summarizes its characteristics which will be tested in a balloon flight scheduled in near future.     

基于视惯融合的无人飞行器导航数据仿真方法

无人飞行器在卫星信号拒止情况下难以获得较高的导航精度。为此，需要研究基于载体自身传感设备的自主导航定位方法。立足于飞行器平台的视觉惯性紧耦合算法架构VINS-Mono，提出并设计了一种视觉惯性数据仿真方法，针对匀速直线运动过程无法恢复视觉尺度的问题，进行了初始化运动轨迹补充。仿真研究结果表明，该方法所补充的轨迹能够很好地对齐视觉与惯性信息并恢复尺度，实现导航参数的正确求解。理想条件下500m平飞范围内定位误差占比不超过真值的3.5%，可作为评估卫星拒止环境下无人飞行器视觉惯性组合导航性能的参考方案。     

单星导航HEO卫星初轨确定算法

HEO(Highly Elliptical Orbit)轨道卫星利用星载GPS(Global Positioning System)进行自主定轨面临的主要难题之一就是解决在单颗导航卫星条件下的初轨确定问题.从理论上分析了利用单颗导航卫星的观测量确定HEO卫星轨道初值的所需满足的条件,指出了利用F.G级数法求解初值存在的问题,提出了一种基于轨道根数约束的迭代批处理算法,该算法无需复杂的数学运算,避免了F.G级数法用短弧资料定初轨时系数矩阵秩亏的影响.仿真结果表明,当先验轨道根数误差在允许范围内取值时,在考虑轨道射入误差的情况下,初值的位置偏差在10⁴ m量级,速度偏差在10⁰ m/s量级,能够根据单颗导航卫星的短弧观测值可靠地完成轨道初值的确定.     

X射线脉冲星导航技术研究进展

X射线脉冲星能够为近地轨道、深空和星际空间飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息,实现航天器高精度自主导航和运行管理,有着巨大的发展潜力.本文论述了X射线脉冲星导航技术研究历程;重点研究了X射线脉冲星导航的基本原理、信息处理流程和自主导航算法,进而提出了脉冲星导航的关键技术;分析了国内脉冲星观测研究的基础条件,以及开展X射线脉冲星导航技术研究的必要性和可行性.      

Single photon laser altimeter simulator and statistical signal processing

Spaceborne altimeters are common instruments onboard the deep space rendezvous spacecrafts. They provide range and topographic measurements critical in spacecraft navigation. Simultaneously, the receiver part may be utilized for Earth-to-satellite link, one way time transfer, and precise optical radiometry. The main advantage of single photon counting approach is the ability of processing signals with very low signal-to-noise ratio eliminating the need of large telescopes and high power laser source. Extremely small, rugged and compact microchip lasers can be employed. The major limiting factor, on the other hand, is the acquisition time needed to gather sufficient volume of data in repetitive measurements in order to process and evaluate the data appropriately. Statistical signal processing is adopted to detect signals with average strength much lower than one photon per measurement. A comprehensive simulator design and range signal processing algorithm are presented to identify a mission specific altimeter configuration. Typical mission scenarios (celestial body surface landing and topographical mapping) are simulated and evaluated. The high interest and promising single photon altimeter applications are low-orbit (∼10 km) and low-radial velocity (several m/s) topographical mapping (asteroids, Phobos and Deimos) and landing altimetry (∼10 km) where range evaluation repetition rates of ∼100 Hz and 0.1 m precision may be achieved. Moon landing and asteroid Itokawa topographical mapping scenario simulations are discussed in more detail.