基于相位差测量的脉冲星时间相对导航方法

针对传统脉冲星导航方法在相位估计时依赖脉冲星信号轮廓,存在整周模糊及不确定星历参数引起的系统共模误差问题,提出基于相位差测量的脉冲星时间相对导航方法。该方法通过对脉冲星光子到达时间序列进行相位估计,以相邻时刻的相位差作为观测量,建立航天器位置增量与相位差的关系,采用广义卡尔曼滤波器处理系统噪声相关问题进行导航,可有效减小系统误差,实现脉冲星导航的应用。通过对导航系统初始定位方法、可观性分析,及基于罗西X射线时变探测器（RXTE）观测的Crab脉冲星的在轨实测数据试验分析,证明了该方法的自主性与可行性。最后,对基于相位差测量的脉冲星时间相对导航系统进行导航滤波仿真,试验结果表明,导航系统完全可观,噪声不累积,位置估计精度可满足实际应用。     

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。     

一种新的脉冲星累积脉冲轮廓辨识算法

为解决X射线脉冲星导航系统中脉冲星类型难以准确辨识的问题,本文分析了导航系统中累积脉冲轮廓的特点,提出了一种基于选择Bispectra\|Mellin(BM)谱的脉冲星累积脉冲轮廓辨识算法。该算法首先对累积脉冲轮廓进行双谱变换,提取平移不变特征信息,并抑制噪声;然后通过计算归一化双谱幅值的两维Mellin变换将双谱的尺度伸缩转换为BM谱的相位变化;最后利用简化的Fisher可分离度使BM幅度谱域降维,得到特征向量用于相关辨识。利用美国罗希(Rossi)X射线时变探测卫星的实测X射线脉冲星数据进行辨识实验,结果表明：(1) 该算法能对具有不同相位和尺度因子的累积脉冲轮廓进行有效辨识,辨识效果优于现有辨识算法;(2) 当相位间隔为4.8°时,该算法的辨识效果达到最佳;(3) 运算量小,适用于脉冲星导航系统。     

一种新的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算法

为提高X射线脉冲星导航系统中累积脉冲轮廓的时间延迟测量精度,分析了X射线脉冲星累积脉冲轮廓的特点和现有时延测量算法的缺陷,提出了一种粗略估计和精确测最相结合的时间延迟测量算法.该算法首先利用三阶互小波累积量进行粗略估计,可抑制尺度伸缩和噪声的影响;然后通过抛物面内插法精确测量时间延迟,避免了小步长的迭代运算,可大幅度降低算法的运算量.利用美国罗希(Rossi)X射线时变探测卫星的实测脉冲星数据进行实验,结果表明:该算法可屏蔽由多普勒效应和相位间隔长度的不同引起的尺度伸缩,能够抑制噪声,测量误差小于现有算法;当相位间隔为0.9°时,该算法的测量精度达到最高;该算法运算量小,不足现有算法的10%,适用于X射线脉冲星导航系统.     

基于X射线脉冲星的自主天文导航技术

随着天文观测技术的发展,一类在x射线频段发出辐射的脉冲星显示了良好的导航特质,由此发展了一种全新的基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法.该方法通过探测X射线脉冲星发出的周期性脉冲信号进行导航,有别于传统的光学、射电天文导航.本文综述了基于X射线脉冲星自主导航技术,介绍其由来、发展历程、国内外研究现状,并对当前围绕该导航技术开展的研究工作进行了详细的分析,最后总结了需要进一步研究的若干问题.     

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。     

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.     

基于最大似然的X射线脉冲星空间定位研究

为提高X射线脉冲星空间定位精度,讨论了脉冲TOA测量技术,解释了X射线脉冲星空间导航定位的时间参考原点定义;研究了基于最大似然估计的X射线脉冲星空间定位算法,以4颗X射线脉冲星源作为解脉冲周期模糊的最小运算单元,不断引入新的X射线脉冲星直至确定唯一的脉冲整周期数;选取5颗X射线脉冲星源,建立空间定位模型。仿真实验表明在半径约121309Km的球形试探范围内至少需要5颗脉冲星才能确定唯一的脉冲整周期数,结合最大似然估计可以有效提高空间定位精度。     

脉冲星导航轮廓折叠失真与周期估计算法

通过互相关算法对快速折叠算法（FFA）生成的系列折叠轮廓与标准轮廓模板进行比对,评估因真实脉冲周期与理论脉冲周期不一致导致的轮廓折叠失真,实现了脉冲星导航光子序列周期估计。针对在轨信号处理背景,通过采样率与分组模式的选择,确定周期估计搜索范围。通过实验对本文提出的算法进行了分析,证明该算法能够利用较少的观测信息在较低信噪比环境下实现光子序列周期的准确估计。     

中心差分Kalman滤波方法在X射线脉冲星导航中的应用

由于脉冲星脉冲到达时间的测量需要较长时间,基于传统的扩展Kalman滤波的X射线脉 冲星定轨方法精度较低。为此,提出了将中心差分Kalman滤波应用于X射线脉冲星导航中, 利用中心差分Kalman滤波替代扩展Kalman滤波,通过结合航天器轨道动力学模型和脉冲星观 测信息进行定轨。仿真结果表明,中心差分Kalman滤波方法的定轨精度高于扩展Kalman滤波 方法。     

利用X射线脉冲星和多普勒频移的组合导航

为了提高航天器自主导航能力,提出了一种利用X射线脉冲星和多普勒频移的组合导航方法。多普勒导航利用相对于太阳的多普勒径向速度作为量测信息,该方法不能得到所有的状态估计。脉冲星导航系统具有完全可观测性,但是滤波周期较长,不能提供连续的导航信息。因这两种方法具有互补性,利用联邦滤波器来融合脉冲星导航与多普勒导航提供的信息。由于两种方法的量测方程与状态方程都是非线性的,采用无迹卡尔曼滤波器(UKF)作为子滤波器。实验结果验证了该导航方法的可行性和精确性。与脉冲星导航方法相比,该组合导航方法可提供更高的位置估计精度。     

微孔光学阵列长宽比对X射线聚焦性能的影响

微孔光学阵列聚焦镜头是实现X射线探测系统高探测效率、轻小型化的有效手段,近年来得到了深入研究。X射线探测系统通过测量脉冲星辐射的X射线光子的到达时间,重构脉冲轮廓来实现航天器导航。为了获得更精确的脉冲星信号,必须尽可能多地收集X射线光子,因此探测系统的聚焦性能是X射线探测系统的核心指标,也是微孔光学阵列主要的设计目标。文章根据脉冲星能谱的分布特点,分析了微孔光学阵列通道长宽比对X射线聚焦性能的影响,提出了针对不同脉冲星选取特定长宽比的方法,实现了不同的脉冲星能谱分布下最优的聚焦效率,为后续微孔光学阵列的研制和工程搭载提供了参考。基于这种方法,文章对Crab脉冲星的能谱分布进行了微孔光学阵列设计,设计结果显示,其聚焦性能得到明显提高。     

基于脉冲星的卫星星座自主导航技术研究

研究了利用X射线脉冲星实现卫星星座自主导航的技术。指出通过脉冲星观测量,     

XPNAV-1卫星先期发布数据的计时分析

本文处理了XPNAV-1先期公布的35组Crab脉冲星的观测数据，采用离散傅里叶变换(DFT)方法得到脉冲到达时刻(TOA)及其测量精度。利用英国Jordrell Bank发布的Crab脉冲星星历与美国JPL发布的DE200历表，得到的拟合前计时残差均方根(RMS)为1.14 μs，且不存在系统性趋势，从而验证了XPNAV-1观测数据的有效性。同时，得到了该观测数据时间段内Crab脉冲星的X射线和射电波段之间的零点相位差为0.04。本文还给出了建立脉冲轮廓时子相位间隔N的取值与计时残差的RMS之间的关系。     

基于X射线脉冲星的“夸父A”卫星自主导航和轨道控制

讨论X射线脉冲星导航技术应用于"夸父A"卫星的可行性。在"夸父A"卫星上搭载X射线探测器接收3颗脉冲星的脉冲信号,通过测量信号到达卫星和太阳系质心的时间偏差和频率漂移6个观测量,可以确定卫星的3维位置和3维速度。根据卫星状态与目标轨道的偏差采用小推力方法可以对卫星进行轨道控制。本文对此进行了数值模拟,并给出了相应的分析。结果表明利用X射线脉冲星导航,在现有的技术下就可以将"夸父A"卫星控制在日地系第一平动点halo轨道的附近。     

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。     

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。     

基于Daubechies小波的X射线脉冲星信号降噪研究

针对X射线脉冲星弱信号埋没在强噪声中,在短时间内周期叠加的脉冲轮廓的信噪比低,影响脉冲到达时间的估计精度和效率,提出基于Daubechies小波的X射线脉冲星信号降噪的算法。在对RXTE观测数据预降噪处理和周期叠加的基础上,采用Daubechies小波算法做降噪处理,使得较短的时间内仍能获得高信噪比的脉冲轮廓。利用RXTE观测数据进行验证仿真,结果表明,该算法能有效滤除X射线脉冲星信号所包含的设备及空间环境的噪声,在保证脉冲到达时间精度的情况下,缩短了观测时间,提高X射线脉冲星导航的效率。      

观测轮廓显著性耦合时的轨道根数反演方法

针对脉冲轮廓显著性数据耦合情况下无法直接根据显著性数据反演轨道根数的问题，提出了一种根据脉冲轮廓显著性数据的方差特征进行解耦，并逐步实现轨道六根数估计的方法。利用X射线脉冲星实测数据完成了基于观测轮廓显著性数据方差特征的导航验证，实验结果表明根据显著性数据的方差特征可逐次解耦显著性数据，并以方差最小准则得到轨道根数的估计值，且定位误差为7.31 km。本文方法既不依赖标准脉冲轮廓，同时适用于轨道六根数均存在偏差的实际情况，在X射线脉冲星导航的实际应用中更具优势。     

X射线脉冲星导航技术及应用前景分析

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,实现航天器全程高精度自主导航和运行管理,具有广阔的工程应用前景.本文首先概述脉冲星的基本概念和X射线脉冲星导航技术的研究状况,然后详细论述X射线脉冲星导航的基本原理、关键技术和实际工程应用前景,最后分析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.