基于X射线脉冲星的航天器自主导航数值分析研究木

基于X射线脉冲星的天文自主导航方法稳定、可靠、精度高.是航天器自主导航领域重要的发展方向.论文介绍了基于X射线脉冲星导航的基本原理,给出了脉冲星自主定位的滤波模型;基于扩展卡尔曼滤波导航算法,以地球同步轨道为例,分析了不同初始误差、轨道倾角、轨道偏心率以及不同脉冲星方位误差下的导航精度.仿真算例表明,在脉冲星方位误差为0.001"、脉冲到达时间测量误差为0.1μs的情况下,导航定位精度优于1 km,且对初始误差不敏感;脉冲星方位精度、脉冲计时精度、轨道面位置和轨道偏心率是影响导航精度的主要因素.     

基于X射线脉冲星的航天器自主导航数值分析研究

基于X射线脉冲星的天文自主导航方法稳定、可靠、精度高,是航天器自主导航领域重要的发展方向.论文介绍了基于X射线脉冲星导航的基本原理,给出了脉冲星自主定位的滤波模型;基于扩展卡尔曼滤波导航算法,以地球同步轨道为例,分析了不同初始误差、轨道倾角、轨道偏心率以及不同脉冲星方位误差下的导航精度.仿真算例表明,在脉冲星方位误差为0.001″、脉冲到达时间测量误差为0.1μs的情况下,导航定位精度优于1km,且对初始误差不敏感;脉冲星方位精度、脉冲计时精度、轨道面位置和轨道偏心率是影响导航精度的主要因素.      

鲁棒滤波技术在脉冲星导航中的应用

  提出将鲁棒扩展卡尔曼滤波(REKF)用于增强X射线脉冲星导航系统克服星表误差影响的能力。指出星表误差可以看作模型不确定性的一部分,采用鲁棒滤波技术进行处理。对REKF和传统扩展卡尔曼滤波(EKF)的性能进行对比。仿真结果表明,存在星表误差的情况下,采用REKF算法进行航天器导航,能够获得优于EKF的定位精度。     

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。      

考虑脉冲星角位置误差修正的XNAV算法研究

航天器X射线脉冲星自主导航(XNAV)依赖于精确的时间测量与转换, 而脉冲星角位置误差会影响时间转换精度从而对导航精度产生不可忽视的影响. 本文在对XNAV算法的研究中, 采用了真实的脉冲星角位置误差. 通过将脉冲星角位置加入滤波器状态进行滤波处理来降低脉冲星角位置误差, 从而降低其对导航精度的影响. 仿真结果表明, 该方法能够有效抑制脉冲星角位置误差对导航精度的影响, 保证了导航精度, 研究结果对于XNAV的工程应用具有一定理论参考价值.      

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。     

UKF方法在脉冲星自主导航中的应用

针对X射线脉冲星自主导航中的非线性系统滤波问题，将无迹卡尔曼滤波方法应用于自主导航计算过程中。首先，在简述脉冲星导航可行性的基础上，研究了脉冲星自主导航系统的基本原理和实施方案。然后，根据牛顿二体引力模型构建了航天器运动状态方程，根据脉冲到达时间模型建立了系统观测方程，并对二者进行了误差分析和建模。最后，将UKF算法应用于航天器自主导航过程中，仿真结果表明该方法能够实现航天器自主导航信息的解算。     

脉冲星导航在高精度卫星轨道修正中的应用

X射线脉冲星导航系统(XNAV,X-ray Pulsar Based Navigation)能够为航天器提供自主的定位服务,但是XNAV存在精度较差,且受航天器钟差和脉冲星时间模型误差的影响而产生近似常值偏差的缺点.分析与仿真指出,在采用XNAV单独导航时需要2颗脉冲星可达到完全观测,而采用XNAV和星间观测的组合导航时仅需要1颗脉冲星即可达到完全观测,同时组合导航能够将轨道修正的精度提高10倍以上,并将由于常值偏差造成的估计误差抑制在0.2 m以内.在现实的噪声设定下,采用标准XNAV单独进行轨道修正,仅需要两颗脉冲星即可取得50 m以内的估计精度;而采用组合导航时,在单脉冲星的导航方案下,系统的估计精度为5 m以内.分析结果表明:基于单脉冲星导航的组合导航,是一种高精度、低需求,容易实现的卫星轨道估计方案.      

脉冲星非实时平差的火星探测自主导航模型

针对基于X射线脉冲星观测的火星探测器自主导航,研究了几种不同的实时自适应方法,包括:扩展卡尔曼滤波(EKF),自适应扩展卡尔曼滤波(AEKF)和鲁棒自适应扩展滤波(RAEKF)。首先根据脉冲星导航原理,模拟了观测值:脉冲到达时刻;接着,分别利用扩展卡尔曼滤波,自适应扩展卡尔曼滤波和鲁棒自适应扩展滤波方法估算出探测器的位置和速度;最后,上述几种滤波轨道与STK模拟的标称轨道较差,然后比较它们的滤波精度发现:AEKF和RAEKF的精度相对较高,AEKF的三个轴向滤波位置精度达到:X轴优于100m、Y和Z轴优于30m,优于VLBI技术的km量级,和Doppler技术的精度相当。     

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。     

Star angle/ double-differenced pulse time of arrival integrated navigation method for Jupiter exploration

Pulsar navigation is a promising autonomous navigation system for spacecraft, which is applicable to the entire solar system. However, the pulsar’s directional error and the onboard clock error are two types of systematic errors that seriously reduce navigation accuracy. To solve this problem, a star angle/double-differenced pulse time of arrival(SA/DDTOA) integrated navigation method is proposed. Since measurements obtained by observing different pulsars contain the same clock errors, the measurements can be differed to eliminate the common clock error. Then, the pulsar-differenced measurements at neighbor filtering time can be differed to suppress the effect of the pulsar’s directional error on navigation precision. Star angle is used to obtain absolute navigation information, which denotes the angles between the light of sight of Jupiter and that of its background stars. Simulation results demonstrate that the proposed method can eliminate the influence of the onboard clock error and greatly weaken the effects of the pulsar’s directional error. The navigation accuracy is better than the traditional star angle/pulse time of arrival integrated navigation method and star angle/pulse time difference of arrival integrated navigation method. In addition, the navigation accuracy of the SA/DDTOA integrated navigation method is less affected by Jupiter’s ephemeris error. This work greatly reduces the influence of common systematic errors in pulsar navigation on navigation accuracy.     

超低轨道地球卫星脉冲星/星光折射/光谱组合导航

针对超低轨道地球卫星导航自主需求,提出了一种脉冲星/星光折射/光谱测速组合天文导航方法。首先根据地球超低轨道卫星运行轨道动力学方程建立导航系统状态模型;分别根据脉冲到达时间差和星光折射角与天体光谱频率建立导航系统量测模型;使用Unscented卡尔曼滤波方法,降低随机误差对导航精度的影响,使用基于UKF的信息融合方法,有效融合了三种天文导航方法结果数据。经计算机仿真分析,该组合导航方法位置导航误差均值为85.62m,速度误差均值0.190m/s,能够满足超低轨道地球卫星在轨运行导航需求。     

Distributed satellite autonomous navigation using X-ray pulsars

Distributed X-ray pulsar-based navigation (DXNAV) is an effective method to realize earth-orbit satellite positioning under weak pulsar signal conditions. In this paper, we propose a new DXNAV method based on multiple information fusion. The DXNAV system principle and the pulse phase estimate Cramér-Rao lower bound are deduced. To suppress the calculation complexity and the error source, the X-ray pulsar photon time-of-arrival detected by each satellite is equivalently converted to the leading satellite directly using the inter-satellite link ranging and starlight angular distance measurement. A high precision estimate model of the pulse phase is built using pulsar standard profile, observed profile, and star-geocentric angular distance from distributed satellites. The estimated pulse phase is real-time supplied to the navigation system, which is established in the form of a deviation equation. The two-stage Kalman filter is designed to estimate the pulse phase in profile histogram bin step and the leader position in real-time step. Compared separately with the maximum likelihood phase estimate method and the celestial navigation method using only the star-geocentric angular distance, the simulation analysis shows that the estimation precisions of position and velocity are improved by 29% and 25%.     

X射线脉冲星脉冲到达航天器时间测量

X射线脉冲星脉冲到达时间(TOA)的空间测量是航天器自主导航和用脉冲星钟作航天器时间标准的基础.在简要介绍地面射电观测TOA测量方法基础上,重点研究了X射线脉冲星脉冲到达时间的空间测量方法和算法.讨论了利用X射线脉冲星辐射光子到达时间观测,建立X射线脉冲轮廓的方法;给出了通过观测得到的X射线脉冲轮廓与标准脉冲轮廓比较,精确确定TOA的测量方法和实用算法.讨论了削弱多普勒效应对TOA测量影响的方法.      

基于星联网的深空自主导航方案设计

为了降低地面测控系统的负担、提高深空探测器的导航效率,提出了基于星联网的航天器自主导航概念,对星联网的应用体系进行了设计。借助脉冲星、星间链路等手段实现星联网系统中基准航天器完全自主的高精度导航,用户航天器通过与基准航天器或其他用户航天器的交互通信与测量就可以实现自身状态估计。以地月转移任务为例,设计了星联网系统在地月空间的具体应用方案,分析了地月空间基准航天器的配置与自主导航方法,阐述了用户航天器的单层与多层导航策略。对基于脉冲星与星间链路观测的基准航天器自主导航进行了仿真,验证了观测基准航天器或者其他用户航天器时,地月转移段航天器自主导航的可行性。结果表明:基准航天器可以达到20 m的定位精度,用户航天器可以达到优于30 m的定位精度。基于星联网的航天器自主导航是可行的,发展星联网可以为我国构建天基自主基准导航系统提供有力支持。     

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。     

基于X射线脉冲星的深空探测自主导航方法

自主导航是实现深空探测任务的关键技术,基于X射线脉冲星的导航方法可靠、稳定、精度高,不受近地空间的限制,为深空自主导航提供了全新的思路。文章分析了X射线脉冲星导航的基本原理,提出了脉冲到达时间预报算法和整周模糊度求解方法,基于最小二乘理论研究了位置估计算法。仿真算例表明该方法在脉冲星方位误差为0.001弧秒、脉冲到达时间测量误差为1μs的情况下,140d飞行时间中定位精度优于10km,且对初始误差不敏感,可以满足深空探测的导航需要。