基于卫星实测数据的X射线脉冲星导航体制验证

介绍了X射线脉冲星序贯观测导航体制和脉冲星导航基本原理。提出了基于卫星实测数据的脉冲星导航基本观测量处理方法。针对中国首颗大型天文卫星“慧眼”（Insight-HXMT）的能粒子探测器载荷观测的原始观测数据，给出了导航观测量处理精度结果。同时将卫星精密定轨星历作为标称轨道，与X射线脉冲星导航定位结果进行对比，得出了Insight-HXMT卫星数据的X射线脉冲星导航精度约为10 km的结论。最后，针对实测数据导航结果讨论了本次试验的不足并给出了未来脉冲星导航试验的建议。     

大偏心率卫星单圈短弧段观测的定轨精度分析

本文采用仿真计算的方法,对大偏心率(e≈0.7)卫星轨道近地点附近,短弧段观测的定轨精度进行了初步分析。给出了在有观测仪器误差、站址误差和测时误差条件下,定轨精度的最佳理论值。同时对如何提高定轨精度提出了几点建议。     

导航脉冲星星历表时空参考系统一性问题

脉冲星具有很高自转稳定性，利用一组统一参考系统下的脉冲星星历表所构建的高精度时空基准，可对飞行器进行自主导航。目前国内尚未观测给出统一参考下的导航脉冲星星历表，国际上已发布的导航脉冲星星历表是在不同参考系统下建立的，无法直接用于构建时空基准，将影响我国近期开展空间脉冲星导航试验。针对没有原始计时观测数据的情况，提出通过模拟计时观测数据，拟合获得新参考系统下的星历表，实现一组导航脉冲星星历表的参考系统统一。最后分析了基于该方法不同参考下的星历表转换精度，其中，DE200转换为DE436后，脉冲星TOA一年内预报值最大偏差由86.6μs减小为2.3μs。TT(TAI)转换为TT(BIPM15)后，TOA一年内预报值最大偏差由0.326μs减小为0.062μs。基于TEMPO2中transform插件可实现不同参考坐标时下星历表精准转换，转换误差小于6 ns，可忽略不计。参考系统DE421/TT(TAI)/TDB转化为DE436/TT(BIPM15)/TCB后，TOA一年内的预报最大偏差降低为0.047μs。     

空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的研发——动力学统计定轨程序compass的编写及调试

介绍了空间飞行器综合定轨与参数分析软件COMPASS的开发过程。软件的初级阶段目标是可以利用SLR观测对多颗激光卫星进行同时定轨、可以利用非差GPS观测对GPS星座进行同时定轨，并估计有意叉的地学参数。COMPASS的开发采取了由简到繁、循序渐进的技术策略，软件开发经历了这样几个主要过程：多星多技术定轨框架的建立。利用SLR观测确定GPS卫星的轨道，利用IGS的SP3轨道确定GPS星座的轨道，利用非差GPS伪距观测确定GPS星座的轨道，利用非差GPS伪距和相位观测确定GPS星座的轨道。激光卫星的定轨精度已经达到国际水平，可以用于提供国际服务（如IERSEOP；ILRS快速分析）；GPS定轨内符精度达到国际先进水平，平均外符精度好于30cm。     

导航卫星的短弧运动学定轨

导航卫星在姿轨控和轨道恢复期间,由于观测数据有限,传统的统计定轨理论难以实现导航卫星精密定轨。本文尝试采用一种不依赖轨道动力学的、新的运动学定轨方法来处理短弧和复杂动力学过程中的定轨,提出了基于多项式拟合的短弧运动学定轨算法,并提出2种不同的实现方案。该算法充分利用了高采样率的测轨数据,减少了结果的噪声,其优点在于不需要长时间累积测轨数据,可以实现近实时快速计算,克服了动力学法定轨发散和单点定位无法获得卫星速度信息等不足。对COMPASS M-01导航卫星实测数据的处理表明,10min左右短弧运动学定轨的位置精度可以优于10m,速度精度优于4cm/s,满足了短弧跟踪条件下RDSS对卫星轨道精度的要求,实现了短弧跟踪条件下卫星精密定轨,但从轨道预报精度来看,该方法仅仅适用于短期预报。     

基于实测星载原子钟数据的脉冲星守时方法

利用脉冲星估计星载原子钟钟差是实现卫星自主守时的途径之一。为充分分析基于脉冲星的自主守时系统性能，利用实测的星载原子钟钟差数据和中子星内部组成探测器(neutron star interior composition explorer, NICER)的PSR B1937+21脉冲星的观测数据，对比分析了星载原子钟和脉冲星的误差特性。设计了脉冲星守时系统框架和星载原子钟钟差估计方法。以实测的星载原子钟钟差数据为基础，计算分析了脉冲星守时系统的性能。计算结果表明，若脉冲星的脉冲到达时间（time of arrival, TOA）解算精度为1 μs/30 d，则原子钟钟差估计精度可达到优于1 μs的水平，初步验证了脉冲星守时系统的可行性。     

单颗导航卫星的轨道确定

讨论在导航星座只有一颗卫星时，不依赖于时间同步系统的卫星定轨策略和精度分析。采用历元间差分算法，在消除钟差的主项（低频）误差后，将伪距和相位数据转化为等价的积分Doppler数据，并对其建立测量模型。仿真分析表明，此时不需要知道钟差参数而定轨算法收敛。为进一步验证此定轨方案的可行性及其定轨精度，利用实测的GPS数据进行轨道确定计算，计算结果表明，采用历元间差分算法，利用国内观测台站3天弧段的观测资料对单颗GPS卫星进行定轨，其径向精度优于10m，利用其对国内定位用户的用户距离误差URE可达13．8m。     

综合脉冲星时研究进展

脉冲星计时分析方法包括广义最小二乘法和贝叶斯方法。在分别介绍这2种分析方法的基础上，概括描述综合脉冲星时算法与研究结果。目前，已经建立并在研究工作中实际采用的综合脉冲星时（EPT）算法，主要包括基于TEMPO2软件包的广义最小二乘算法（频率分析法）、贝叶斯算法和维纳滤波算法。给出了采用不同算法的具有代表性的综合脉冲星时研究结果。基于国际脉冲星计时阵（IPTA）长期计时观测资料，综合脉冲星时研究结果表明，以国际原子时（TAI）为参考，采用不同算法得到的综合脉冲星时EPT-TAI，都能够检测到TAI的系统误差TT-TAI。以地球时（TT）为参考还可以得到综合脉冲星时EPT-TT。以所提出的改进维纳滤波算法得到的综合脉冲星时EPT-TAI为例，其频率稳定度分析表明，综合脉冲星时EPT-TAI基本不存在红噪声，在8年以上的频率稳定度略优于原子时TT-TAI。而综合脉冲星时EPT-TT频率稳定度略优于EPT-TAI。与综合脉冲星时不同，消除二次项的原子时TT-TAI的频率稳定度存在明显低频红噪声。最后，总结3种综合脉冲星时算法的各自特征，讨论关于改进综合脉冲星时短期频率稳定度等问题，并给出脉冲星...     

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。     

星载GPS相位非差低轨卫星定轨及其精度分析

星载GPS相位非差低轨卫星事后精密定轨无需考虑复杂的动力学模型和地面资料，只需低轨卫星上的GPS观测资料和IGS的GPS精密星历产品，而且对于不同高度的卫星定轨都适用，计算简单、方便，能快速、高精度地确定轨道，同时还能确定部分动力学参数。本文在研究相位非差定轨方法基础上，对低轨卫星的误差影响及其处理措施进行探讨，给出了GPS相位非差定轨流程，编写了相应的定轨软件（SHKINE），并利用CHAMP卫星资料对定轨的可靠性和精度进行分析，表明：利用自行编写的SHKINE定轨软件对CHAMP卫星定轨，3个方向坐标精度为10cm-20cm，点位精度为30cm-40cm，能满足一般定轨要求，是一种简单方便、行之有效的定轨方法。     

双星定位系统及其备份星在近地卫星联合定轨建模中的应用

建立了基于双星定位系统距离和观测数据的近地卫星联合定轨模型,设计了相应的数值融合联合定轨算法;为进一步提高近地卫星定轨精度,考虑融合双星及备份星距离和观测数据,建立了基于双星和备份星的近地卫星联合定轨模型及实现算法,并针对不同仿真条件进行了联合定轨仿真实验。仿真计算结果表明,联合定轨方式较传统近地卫星精密定轨方式可以更好地抑制双星星历误差对近地卫星定轨精度的影响,近地卫星和双星的定轨精度均得到了一定程度的提高;同时,融合备份星观测数据的近地卫星联合定轨精度得到进一步改善,达到5.17m。     

空间飞行器的多普勒实时自主定轨精度分析

空间飞行器需要实时的高精度轨道信息来完成对栽荷的指令操作和遥感数据的实时处理。除了星栽GPS技术,星载多普勒无线电定轨定位系统（DORIS,Doppler Orbitography and Radio—positioning Intergrated by Satellite）是仅有的有能力提供分米级精度的实时在轨轨道确定技术,它可通过测量星地相对多普勒频移,在星上完成实时定轨和预报,目前该技术已在国外多个卫星上实现,达到了较好的效果,而我国还没有建立这样实时自主定轨系统。为此,结合我国高分辨率空间对地观测系统的建设需求和我国航天器对实时自主定轨及其精度的要求,利用扩展卡尔曼滤波算法对多普勒测量进行了实时自主定轨仿真计算,分析了频率偏差估计与否、初轨误差、地面信标站地理分布以及观测精度等对实时自主定轨的滤波收敛时间和定轨精度的影响,为我国利用DORIS技术进行实时在轨轨道确定提供方案和软件原型。仿真计算表明,基于28个全球分布的地面站,对于高度为800km的卫星,在忽略其动力学模型误差的假设下,若初轨三维位置、速度误差分别为100m（或差至1km）、1m／S（1d）,2h后滤波可以达到稳定收敛,收敛后的实时定轨误差可以达到0．1m（1d）。滤波估计参数除了6个卫星轨道状态参数,还估计了地面信标相对于卫星超稳定振荡器的频率偏差;     

单通道测量条件下DORIS实时定轨方法研究

重点研究了单通道测量条件下的DORIS实时定轨方法。推导了实时定轨的扩展卡尔曼滤波（EKF）公式,仿真生成了47个测站的观测数据文件,分析了单通道测量条件下EKF滤波器的收敛性及其精度。仿真实验表明,仅有单个测站的观测数据时,滤波难以收敛;但在不同测站的观测数据切换时,滤波收敛效果显著。对于轨道高度为800km的卫星,初轨各轴位置误差小于500m、速度误差小于5m/s时,滤波平均收敛时间约55min;若各项系统误差能准确建模,实时轨道的位置精度将优于40cm。     

单点定位与实时定轨的星载算法的比较研究

卫星单点定位方法和卫星定轨方法均采用GPS接收机测量得到的伪距和伪距率作为原始观测量。前者依据几何学原理，采用最小二乘法对单个历元的原始观测量进行处理，解算出卫星的位置和速度；而后者依据轨道动力学理论，采用卡尔曼滤波方法通过连续的原始观测量对滤波器状态量的修正使定轨结果收敛。通过比较，星载定轨方法能够明显改善定位测速的精度和数据的稳定性，其外推功能可以有效避免观测量短时间中断对定轨结果连续性的影响。我们已经将实时定轨算法应用到星载型号任务的工程中，并取得了较好的结果。     

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。     

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。     

XPNAV-1卫星聚焦型X射线脉冲星望远镜在轨稳定性分析

聚焦型X射线脉冲星望远镜(FXPT)是脉冲星导航试验(XPNAV-1)卫星的核心载荷，为中国首款在轨工作的聚焦型X射线望远镜，其在轨稳定性一直备受关注。首先，分析了XPNAV-1卫星对具有特征能谱辐射的超新星遗迹观测数据评估FXPT在轨性能的稳定性的可行性，发现拟合得到的FXPT能量响应参数存在较大误差，且缺乏长期超新星遗迹观测数据，难以支持望远镜在轨性能长期稳定性分析。其次，通过处理分析XPNAV-1卫星于2016年11月―2019年11月间1 455次4.1×10⁶ s Crab脉冲星观测数据，发现FXPT在9.5 keV附近长期较稳定地存在大量的X射线光子，且其能量分布曲线近似高斯分布，排除了其来自脉冲星辐射可能性后，推断其来自于FXPT的超上阈信号，同时发现在7.5 keV能量处存在特征谱线辐射，判断其来自于望远镜镜片材料Ni的受激辐射Kα射线。继而提出了一种利用望远镜本征特征能谱和超上阈信号共同监测其在轨稳定性的方法，通过分析近4年XPNAV-1卫星对Crab脉冲星的观测能谱，发现FXPT于2017年10月后性能趋于稳定，该方法有效弥补XPNAV-1卫星...     

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。     

利用Crab脉冲星X射线观测校准星载原子钟频率

为了改善星载原子钟长期的时间保持能力，并提高其自主性，利用XPNAV-1卫星观测的Crab脉冲星数据研究了驾驭星载原子钟频率的方法。在X射线脉冲星计时处理中，利用高斯核回归的方法平滑了脉冲星轮廓，可以有效提高脉冲轮廓的信噪比(SNR)，从而提高了计时精度。通过仿真记录光子到达时刻的参考钟存在频率偏差，分析了参考钟频率偏差对脉冲星拟合前计时残差的影响，基于此给出了脉冲星校准星载原子钟频率的方法。对于存在10^-11量级频率偏差的星载钟，1个月左右的Crab脉冲星数据可以获得相对误差约40%的频率校准精度。利用更长时间跨度的脉冲星计时数据，预期可以进一步提高星载钟的频率校准精度。     

星载GPS测量数据预处理方法研究

针对低地球轨道(LEO)卫星星载全球定位系统(GPS)接收机应用的特点,对星载GPS测量数据误差及其对周跳探测的影响进行了分析,提出TurboEdit数据预处理方法中周跳探测算法的改进算法。在原周跳判断算法的基础上,通过引入与测量数据观测高度角相关的加权系数,将周跳探测与测量误差紧密联系起来。根据观测高度角的变化对测量数据误差进行估计,并根据估计情况对加权系数取值,从而实现对周跳探测算法进行调节,达到降低周跳探测失误率的目的。增加参与定轨计算的观测数据量,提高了低轨卫星连续定轨的能力。通过GRACE编队卫星实测数据对改进算法进行了仿真验证。