基于DCT-CS的脉冲星周期超快速估计方法

受快速傅里叶变换（fast Fourier transform，FFT）的影响，基于FFT和压缩感知（compressive sensing, CS）的脉冲星周期快速估计算法的计算量大。为进一步减小计算量并提高计算精度，利用离散余弦变换（discrete cosine transform，DCT)取代FFT，提出了一种基于DCT-CS的脉冲星周期超快速估计算法。在该方法中，利用DCT提取脉冲星信号的低频部分构建低频DCT矩阵；构建畸变轮廓字典并获取累积轮廓；提出了利用最大值超分辨率稀疏恢复估计脉冲星周期的方法。仿真结果表明，DCT-CS的脉冲星周期估计精度达到了3.82×10-12 s，计算时间达到了9.31 ms。与FFT-CS相比，周期估计精度提高了约16%，计算时间缩短了约37.5%，实现了实时高精度的脉冲星周期估计。     

太阳信息辅助的脉冲相位估计方法及导航应用

X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，脉冲相位是其基本测量量。然而，现有的在轨航天器脉冲相位估计方法计算量大，阻碍了X射线脉冲星导航的工程应用。为了减少脉冲相位估计的计算量，提出了一种基于太阳信息辅助的深空探测器脉冲相位估计方法。通过太阳信息粗略地消除航天器轨道运动的影响，并推导了对应的脉冲星相位计算公式。在此基础上，提出了一种X射线脉冲星/太阳信息深组合导航方法，并通过仿真验证了太阳信息辅助脉冲相位估计方法和组合导航方法的性能。仿真结果表明，所提出的脉冲相位估计方法在保证精度的前提下具有更小的计算量。此外，对于深空探测器，所提出的组合导航方法的位置误差相比于仅使用太阳信息导航的方法降低了70.1%。     

“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航动态模拟系统及实验验证

X射线脉冲星导航真实运行场景的模拟验证手段尚不够完善，限制了导航和探测理论的发展及工程化应用的实现。提出了基于脉冲星辐射特性和航天器轨道模型的X射线脉冲星动态信号模拟方法，设计了能实现多种实验场景模拟的X射线脉冲星模拟源，并根据脉冲星辐射特性构建了“天枢Ⅱ号”X射线脉冲星导航地面实验系统，可以高质量复现脉冲星导航空间运行场景。设计了静态及动态不同类型的实验对实验系统的性能进行了验证测试，针对PSR B0531+21、PSR B1937+21两颗脉冲星，开展了静态模拟实验，获得的脉冲轮廓相似度分别为99.5%、99.1%；开展了200 km轨道高度的动态近地圆轨模拟实验，PSR B0531+21、PSR B1937+21的周期测试值和理论值的偏差分别为38 451、350 ps，还原到SSB(Solar System Barycenter)处的轮廓相似度分别为99.86%、99.99%。实现了椭圆轨道的超实时仿真实验，仿真时长可压缩50%，轮廓相似度为99.89%。实现了基于霍曼变轨模型的轨道机动模拟，周期变化的测试值与理论值的偏差标准差为637 ps。该地面实验系统性能稳定，可以满足不...     

光子TOA与自转频率误差对Crab脉冲星脉冲TOA估计的影响

为量化分析Crab脉冲星X射线波段光子到达时间（TOA）测量误差和自转频率误差对脉冲TOA估计的影响，仿真生成了13 200组带有不同光子TOA测量误差的光子TOA数据。采用含有不同大小自转频率误差的Crab脉冲星星历，通过历元折叠建立积分脉冲轮廓，与标准脉冲轮廓作互相关运算获得各组仿真观测的脉冲TOA测量误差，进一步计算出各误差参数组的仿真观测脉冲TOA测量误差均方根（RMS）。仿真结果表明，为使Crab脉冲星脉冲TOA短期测量精度达到30 ~300 μs量级的要求，有效面积为6 000 cm2和30 cm2的探测器脉冲星自转频率误差均应小于3×10-6 Hz，30 cm2的探测器光子TOA的偶然误差同时应控制在500 μs以内。     

面向脉冲星深空基准建立的X射线望远镜及发展设想

深空基准是进入、利用和控制太空的基础，X射线望远镜是构建脉冲星深空基准的重要观测设备。首先，论述了脉冲星计时在深空基准建立中的作用，定性分析了毫秒脉冲星空间观测对X射线望远镜的需求，系统总结了X射线望远镜的国内外技术现状及发展趋势；其次，针对X射线毫秒脉冲星观测中脉冲信号弱而非脉冲信号及空间弥散本底较强的特点，提出了利用毫秒脉冲星高分辨率成像观测抑制非脉冲噪声的方法，并初步设计了一种高分辨率低噪声X射线望远镜；最后，分析了不同的脉冲信号流量、非脉冲信号流量、角分辨率及单次镜片反射效率分别对聚焦成像型、聚焦非成像型和准直非成像型X射线望远镜脉冲星观测信噪比的影响，发现聚焦成像型X射线望远镜在弱脉冲信号和强非脉冲信号流量下具有较好的探测能力。同时计算结果表明：在相同条件下，聚焦成像型望远镜对5颗导航脉冲星的探测灵敏度，比美国中子星内部组成探测器（NICER）的X射线计时仪器（XTI）有不同程度的提高。可见，设计的聚焦成像型X射线望远镜，能够有效地提高毫秒X射线脉冲星的观测能力，能为国家综合定位导航授时（PNT）及深空基准体系的建设提供硬件支持。     

X射线脉冲星导航硬件脉冲轮廓累积研究

为了在X射线脉冲星地面实验系统仿真源模拟产生X射线的基础上,能够快速稳定地得到脉冲轮廓,采用硬件历元叠加的方法获得脉冲轮廓。研究了用硬件实现历元叠加及其数据整合的算法,该算法首先在MATLAB现场可编程逻辑阵列(FPGA)中实现,再通过MATLAB硬件描述语言(HDL)代码生成模块把算法转换成HDL,经编译后获得配置硬件的Bit文件,最终在开发板FPGA上实现数据处理的硬件模块。一段时间内的光子到达时间数据通过MATLAB算法得到的脉冲轮廓数据与通过硬件模块处理后得到的数据结果存在误差,在单个时间窗口内误差最大值为2个光子数,误差平均值占光子数统计平均值的0.084%;两组统计的脉冲轮廓数据中不同数据占总数据个数的9.481%,这样的误差不影响后端模拟导航模块的导航。利用硬件实现的历元叠加及其数据整合模块具有处理速度快、设备紧凑、功耗低的特点,为航天器利用X射线脉冲星导航提供了一种可行的硬件数据处理技术上的支持。     

基于HHT的航空直流串行电弧特征提取方法

由于飞机内部布线空间有限、电弧故障存在发生时间地点随机以及特征不明显等问题，导致检测困难。本文基于航空270 V高压直流（HVDC）系统开展直流串行电弧故障特征提取方法研究，采用希尔伯特黄变换（HHT）提取电弧电流交流分量的时域和频域特征量。选择HHT的固有模态函数IMF5瞬时幅值的峰峰值和标准差作为识别电弧故障的时域特征，与原始信号中提取的时域特征量对比，正常和电弧特征量的区分度更大；选择HHT的固有模态函数IMF1+IMF2、一定频带范围内的瞬时幅值计算得到的谐波功率和作为区分正常和电弧情况的频域特征量。与常用的快速傅里叶变换（FFT）方法相比，HHT三维时频谱能够反映信号的局部特征，HHT方法计算得到的正常和电弧特征量之间的区分度更大，电弧和正常特征量的比值最高可达346。基于HHT的电弧故障特征提取方法能够更好地区分正常和电弧情况，有助于提高电弧故障的检测率，降低虚警率，具有重要的工程应用价值。     

X射线脉冲星信号时延的实时估计方法

针对在频域内计算X射线脉冲星信号延时量存在滞后性,进而难以为航天器自主导航提供实时信息的问题,提出将脉冲星信号延时估计转化为时域内标量估计的方法。首先,通过人工神经智能网络获得脉冲星信号的标准轮廓函数作为状态方程;应用粒子滤波算法对脉冲星信号延时量进行实时估计;其次,为了避免标准粒子滤波器中的粒子退化现象,推导并证明了一种新型粒子滤波算法;最后,推导出粒子滤波算法的精度函数,为航天器的导航策略提供参考。以航天器在轨运行中可能遇到的3种情况为背景,验证了所提粒子滤波算法的正确性与有效性。     

5颗导航用X射线脉冲星计时分析

脉冲星计时特性分析是开展脉冲星导航和脉冲星时研究的基础，为其提供了精确的脉冲星计时模型参数和辐射特征。本文在系统总结脉冲星计时分析方法的基础上，选择了当前导航中应用最广泛的5颗脉冲星，并利用国内外在轨X射线观测卫星的最新观测数据对其分析，包括：“慧眼”硬X射线调制解调望远镜（HXMT）针对Crab脉冲星和PSR B1509-58的观测，中子星内部结构探测器（NICER）针对PSRs J1821-2452A、J1939+2134和J0030+0451的观测。通过对“慧眼”HXMT和NICER在2017-2021年高精度计时观测数据的分析，获得了较长时间段内脉冲星最新状态的自转特性和物理信息，一方面给定了脉冲星最新的、覆盖时间长、自转参数精度较高的X射线星历，证明在X射线波段也可独立给出较高精度的星历；另一方面建立了它们清晰显著的积分脉冲轮廓，其中在选定的能量段范围内3颗毫秒脉冲星的轮廓是当前最精确的，可为脉冲星导航研究提供最新的标准模板。本文仅对脉冲星的X射线数据进行了分析，未来利用国内外多个望远镜，开展多波段联合计时分析，将是脉冲星计时研究的重要方向。     

X射线脉冲星导航的最优观测周期确定

最优观测周期的确定对脉冲星导航计算具有重要意义。首先推导了航天器处观测脉冲相位估计方差的理论下界，然后给出了观测脉冲相位估计误差与脉冲星观测周期之间的关系式，并以观测脉冲相位估计的均方误差最小为准则，给出了最优观测周期的近似计算公式，最后利用脉冲星PSR B0531+21的实测数据验证了该关系式的正确性。仿真结果表明所给最优观测周期计算公式对脉冲星PSR B0531+21的预测误差为44 s，证明了所给公式的正确性，为导航中脉冲星观测周期的确定提供了理论基础。     

鲁棒EKF在脉冲星导航系统中的应用

针对脉冲星导航系统的滤波问题,传统的扩展卡尔曼滤波(EKF)算法存在不能克服系统模型存在不确定性参数以及乘性噪声等缺陷,提出一种鲁棒EKF算法。首先,分析了状态预测误差方程和估计误差方程,利用统计学原理,得到了状态预测方差矩阵和状态估计方差矩阵计算等式。由于系统模型存在不确定性参数,状态预测协方差矩阵和状态估计协方差矩阵无法计算;因此,利用4个重要矩阵不等式,分析并找到预测方差矩阵和状态估计方差矩阵的上界。最后,利用状态估计误差协方差矩阵上界设计状态增益矩阵,使得状态估计协方差矩阵的迹最小。将该算法对脉冲星导航系统进行仿真,仿真结果验证了所提算法的有效性。     

日地L2点航天器编队的分布式自主相对导航

为了实现航天器编队在日地L2点轨道的高精度相对导航,设计了一种分布式的自主导航方法。首先通过信息交互形成局部的测量构型,每颗卫星只基于邻居间的测量进行状态估计,降低了状态维数和计算量;然后根据相互估计的结果进行信息融合,提升估计的精度。在此基础上,对仿真结果进行了定量分析,给出了影响最终估计误差的主要因素测距精度、测量点间的基线与导航精度间的经验公式。在数值仿真中,所提方法达到了厘米量级定位精度和毫米每秒的测速精度。仿真结果表明：该方法有效,且对工程应用具有一定的参考价值。     

基于稀疏重构的混叠脉冲序列的周期估计

针对于以往方法在克服抖动大和缺失率高的混叠脉冲信号周期估计上的不足,提出了一种基于稀疏重构的混叠脉冲序列的隐藏子周期估计新方法。该方法首先针对由多个具有不同周期的脉冲串混合而成脉冲序列进行插值重采样,然后利用由Ramanujan构造的周期字典,建立了混叠脉冲序列的稀疏表示模型,最后采用联合l_2,0混合范数算法求得混叠脉冲序列的周期估计。方法的优点是具有较强抗噪能力和抗脉冲缺失能力,并且不受初相的改变影响。所需要较少的脉冲数据长度就能得到准确的周期稀疏解。仿真实验表明,所提方法具有更好的估计性能。     

Grouping bi-chi-squared method for pulsar navigation experiment using observations of Rossi X-ray timing explorer

X-ray pulsar-based navigation is a revolutionary technology which is capable of providing the required navigation information in the solar system. Performing as an important pulsar-based navigation technique, the Significance Enhancement of Pulse-profile with Orbit-dynamics (SEPO) can estimate orbital elements by using the distortion of pulse profile. Based on the SEPO technique, we propose a grouping bi-chi-squared technique and adopt the observations of Rossi X-ray Timing Explorer (RXTE) to carry out experimental verification. The pulsar timing is refined to determine spin parameters of the Crab pulsar (PSR B0531+21) during the observation periods, and a short-term dynamic model for RXTE satellite is established by considering the effects of diverse perturbations. Experimental results suggest that the position and velocity errors are 16.3 km (3σ) and 13.3 m/s (3σ) with two adjacent observations split by one day (exposure time of 1.5 ks), outperforming those of the POLAR experiment whose results are 19.2 km (3σ) and 432 m/s (3σ). The approach provided is particularly applicable to the estimation of orbital elements via using high-flux observations.     

基于冗余伪观测的自适应滤波算法

现有的二阶互差分(SOMD)算法能够给出与状态估计误差解耦的观测噪声协方差估计，但是需要满足冗余测量的条件，但这一条件往往难以满足。 针对这一问题，提出了一种利用状态预测值构造相邻2个时刻伪观测的方法，将原SOMD算法扩展到具有单测量的系统中。使用目标跟踪问题对该算法的有效性进行验证。仿真结果表明，当采样周期较小时，该算法能够忽略状态估计误差的影响并给出较准确的观测噪声方差，在精度和鲁棒性方面优于其他参考算法。     

基于支持向量经验模态分解的故障率时间序列预测

 针对故障率时间序列的非线性与非平稳特性,提出一种基于支持向量经验模态分解(SVEMD)的预测方法。首先,将故障率时间序列分解为多个固有模态函数(IMF)与一个余量(RF),利用最小二乘支持向量机(LSSVM)预测时间序列两端的局部极值点,以抑制传统经验模态分解(EMD)的边缘效应;同时以LSSVM回归方式形成包络线,以取代传统EMD中的三次样条插值;然后,建立各IMF与RF的预测模型;最终,将各IMF与RF的预测结果相加以获得故障率时间序列的预测结果。仿真结果表明,该方法的预测精度较传统基于EMD的预测方法与单一预测方法有显著提高,可实现对故障率的准确预测。     

Magnetic alignment and counter-alignment in binary X-ray pulsars

The magnetic torque exerted on a binary X-ray pulsar acts to decrease the angle between the dipole and spin axes during braking episodes, but to increase it whenever spinup occurs. The likely effect on the X-ray pulse profiles is considered.     

基于边缘采样的简化高阶CKF在非线性快速传递对准中的应用

针对舰载机惯导系统非线性传递对准问题中误差模型不完善的问题，同时考虑了挠曲运动和动态杆臂的影响，提出了一种新的适用于大方位失准角情形下的挠曲变形和杆臂效应加速度一体化误差模型。采用高阶容积卡尔曼滤波（HCKF）算法对状态进行滤波估计，考虑到HCKF具有较大的计算量，分析了传递对准模型的状态方程与量测方程结构，设计了一种基于边缘采样的简化高阶容积卡尔曼滤波（M-RHCKF）算法，其在时间更新中使用边缘采样算法，在量测更新过程中使用简化量测更新过程，并给出了该算法的证明过程。采用"速度+姿态"组合匹配方式，对提出的误差模型进行仿真实验。结果表明，该模型可以满足对准精度和对准时间的要求，相比于未考虑动态杆臂的传递对准模型具有更高的对准精度。     

Distributed state estimation for heterogeneous mobile sensor networks with stochastic observation loss

The problem of distributed fusion and random observation loss for mobile sensor networks is investigated herein. In view of the fact that the measured values, sampling frequency and noise of various sensors are different, the observation model of a heterogeneous network is constructed. A binary random variable is introduced to describe the drop of observation component and the topology switching problem caused by complete observation loss is also considered. A cubature information filtering algo...