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。     

Research on navigation of satellite constellation based on an asynchronous observation model using X-ray pulsar

Pulsar navigation is a promising navigation method for high-altitude orbit space tasks or deep space exploration. At present, an important reason for restricting the development of pulsar navigation is that navigation accuracy is not high due to the slow update of the measurements. In order to improve the accuracy of pulsar navigation, an asynchronous observation model which can improve the update rate of the measurements is proposed on the basis of satellite constellation which has a broad space for development because of its visibility and reliability. The simulation results show that the asynchronous observation model improves the positioning accuracy by 31.48% and velocity accuracy by 24.75% than that of the synchronous observation model. With the new Doppler effects compensation method in the asynchronous observation model proposed in this paper, the positioning accuracy is improved by 32.27%, and the velocity accuracy is improved by 34.07% than that of the traditional method. The simulation results show that without considering the clock error will result in a filtering divergence.     

基于改进动静态滤波的脉冲星/CNS深空探测组合导航方法

为了提高深空探测器的自主导航系统性能,文章提出一种基于改进动静态滤波的脉冲星/CNS组合导航方法。脉冲星观测数据和星光角距信息通过改进动静态滤波器进行信息融合。其中,动态滤波采用UKF处理采样速率快、测量方程非线性强的星光角距测量量,静态滤波采用EKF处理采样速率慢、测量方程线性特征明显的脉冲星测量量,其运行周期可以是动态滤波的若干倍。利用该改进动静态滤波进行组合导航,可避免联邦滤波器中由于各局部滤波器采用相同的状态方程而导致的融合滤波结果不具备最优性的问题。仿真分析表明,基于所提出的组合导航系统,深空探测器的导航精度可提高至10km以内。     

脉冲星时间尺度的相关研究

在已有脉冲星时频率稳定度σZ算法基础上,提出了针对长时间跨度计时观测数据缺失（gap）的脉冲星时稳定度的处理方法,并以该类典型的脉冲星J1857＋0943于帕克斯天文台PARKES的实测数据为例,给出稳定度计算结果并讨论,简介了计时软件包Tempo2得到最小残差的拟合过程,并以Tempo2处理后的数据作为输入,由其时间尺度结果引发对Tempo2处理脉冲星时间尺度的相关分析与讨论,介绍了含gap的脉冲星观测数据在综合脉冲星时算法中的应用。     

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。     

运用信息融合式高阶UKF的微小卫星姿态确定算法

为提高微小卫星微型低成本姿态敏感器的姿态确定精度，基于磁强计/太阳敏感器/陀螺仪的姿态敏感器配置以及无迹卡尔曼滤波方法（Unscented Kalman Filter，UKF），设计了一种基于高阶UKF算法并且融合磁强计与太阳敏感器观测信息的微小卫星姿态确定算法.为提高系统状态方程非线性函数的一步预测精度，采用基于五阶UT变换的高阶UKF算法，增加了Sigma采样点数量，提高了系统状态预测精度.单一观测向量滤波算法不能同时满足多个不同量纲观测数据，本文提出一种同时利用两个观测向量的信息融合式滤波算法，根据磁强计和太阳敏感器的观测信息，通过卡尔曼滤波原理中的增益计算，分别得出地磁矢量和太阳矢量对应的卡尔曼增益信息.采用高斯概率密度准则进行信息融合，进而完成预测值的修正，得到同时满足磁强计以及太阳敏感器观测需求的四元数估计值，降低了观测误差的影响.仿真分析验证了算法的优越性.      

脉冲星方位误差估计的TSKF算法

为提高脉冲星方位误差估计对方位自行速度及卫星位置误差的鲁棒性和整体运算的高效性，设计了两级卡尔曼滤波（TSKF）算法。首先，分析了方位自行速度及卫星位置误差对方位误差估计的影响，并分别结合相关算法进行了仿真验证。然后，结合方位误差估计的CV模型和两级卡尔量滤波的相关原理，写出了TSKF算法的更新方程，并分析了实现并行计算的基本流程。仿真实验的数据显示:在方位自行速度及卫星位置误差均存在的情况下，TSKF算法的方位估计精度约为0.1 mas，方位自行速度估计精度约为1.1 mas/a；与基于CV模型的估计算法相比，TSKF算法的浮点运算仅增加了0.048%。      

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。     

一种用于高动态GPS频率估计的滤波算法

针对常用高动态GPS(Global Positioning System)频率估计算法扩展卡尔曼滤波(EKF,Extended Kalman Filter)的缺陷,提出了一种新的称为简化无迹高斯粒子滤波(SUGPF,Simplified Unscented Gaussian Particle Filter)的算法.SUGPF将卡尔曼滤波(KF,Kalman Filter)、无迹卡尔曼滤波(UKF,Unscented Kalman Filter)与高斯粒子滤波(GPF, Gaussian Particle Filter)三者相结合.在时间更新阶段,用KF的方法更新预测分布;在测量更新阶段,用UKF的方法得到重要采样函数,并用GPF的方法更新后验分布.仿真结果表明:与EKF和UKF相比,SUGPF性能更优越,功能更全面,在高斯与非高斯观测噪声环境下均能取得与GPF类似的良好性能,并且其计算复杂度低于GPF.     

Cramér-rao lower bound for pulsar rotation parameters estimation with X-ray pulsar observation data

In this paper, the Cramér-Rao Lower Bound (CRLB) for estimating the rotation parameters of pulsars using X-ray pulsar observation data is deduced, and the calculation equation is presented. In order to verify the correctness of the deduced equation, we use the X-ray pulsar observation data to estimate pulsar rotation parameters, and obtain the root mean square error (RMSE) of the estimated pulsar rotation parameters through conducting repeated experiments. The experimental results suggest that when the observation time increases, the RMSE gradually approaches the estimated CRLB, and that when the observation time is 2.4 × 10⁶ s, the error between the RMSE of pulsar frequency estimation and the CRLB stays at 10^?11 order of magnitude. This verifies that the CRLB expression deduced in this paper is the theoretical lower bound for estimating pulsar rotation parameters. The deduced CRLB in this paper helps determine the minimum variance estimator for pulsar rotation parameter estimation using X-ray pulsar data, providing a benchmark for the comparison between the minimum variance estimator and other estimators.     

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。     

联合北斗导航与星间链路的大椭圆卫星定轨方法

传统的地面测控和GNSS均无法实现HEO卫星全弧段的跟踪观测.在分析北斗导航信号及其星间链路信号对典型HEO的观测几何及覆盖特性的基础上,利用北斗导航及其星间链路对HEO测控支持形成互补的特点,提出了一种卫星导航与星间链路相结合的自主导航方法.对HEO定轨进行分段划分并基于EKF设计了卫星导航与星间链路数据融合定轨的自主导航算法.分析结果表明,本文提出的方法能够从全弧段上改善HEO的观测几何,定轨精度比仅使用卫星导航提高了2个数量级,并且仅需较少的星间链路资源.      

非结构重叠网格显式装配算法

针对重叠网格中洞映射法占用过多物理内存的问题,发展了一种改进型洞映射法;基于相邻单元搜索法,发展了一种基于相邻阵面的贡献单元搜索法;通过将割补法与隐式切割技术相结合提出了一种非结构重叠网格显式装配算法。该算法首先生成一套包围物面的笛卡儿网格,其次存储所有与物面边界相交的笛卡儿网格信息,最后根据所存储笛卡儿网格与所需判断的网格单元的相对位置来判断其是否为洞内单元。在成功判断出所有洞内单元后,以当前洞边界为初始阵面推进,同时以各个网格单元的物面距离为判别标准对重叠区域进行优化,生成最终插值边界。所提算法优化了传统非结构重叠网格装配过程,具有物理内存占用低,贡献单元搜索次数少以及计算效率高等特点。通过2个典型复杂流动算例验证了所提算法的准确性与适用性。      

毫秒脉冲星计时的多星观测

在评价脉冲星时研究发展趋势的基础上 ,讨论了基于毫秒脉冲星自转的脉冲星时间的短期特征和长期稳定度。并对影响其稳定度的因素作了初步分析。 5 0m射电望远镜计时观测的目的之一就是综合脉冲星时研究。对于 5 0m望远镜计时观测的选星和由多星观测进行综合脉冲星时研究中的数据分析问题进行了讨论。     

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。      

基于SSUKF的航天器自主导航算法

针对航天器自主导航系统对稳定性、精确性和实时性的要求,将超球面分布采 样点变换SSUT(Spherical Simplex Unscented Transformation)和Unscented卡尔曼滤波(UK F)相结合,研究了基于SSUT的UKF(SSUKF)导航滤波算法.由于SSUT减少了采样点个 数,在保证滤波精度和标准UKF相当的条件下减轻了计算负担.根据UKF和扩展卡尔曼滤波(E KF)计算过程相似的特点,设计了SSUKF和EKF相结合的混合卡尔曼滤波算法.算法通过能够 度量估计误差的模式切换函数,可以自适应地在SSUKF和EKF之间切换,避免了UKF计算效率低 以及EKF对滤波参数敏感、容易发散的缺点.数值仿真结果表明,混合卡尔曼滤波器提高了 计算效率,保证了估计精度,具有良好的鲁棒性,适合于航天器自主导航系统.      

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。     

多星敏感器测量最优姿态估计算法

多数利用星敏感器加陀螺组合的姿态确定方法中,由于星敏感器精度较高,使得系统定姿的精度比较高.然而,姿态确定的算法因观测模型和误差处理不当,导致滤波器观测修正能力下降,从而不能有效地估计陀螺的漂移误差.提出了基于星敏感器观测姿态角的误差建模,研究了多星敏感器组合的最优安装构型和观测融合方法.利用加权最小二乘法对观测数据的预处理,使观测方程定常化.再利用陀螺加星敏感器组合的扩展Kalman滤波(EKF,Extended Kalman Filtering)对航天器姿态和陀螺漂移进行估计.仿真结果表明,提出的多星敏感器最优组合的滤波方法能够有效精确地估计卫星三轴姿态和陀螺漂移,且该方法计算量小,有利于卫星定姿系统的在轨自主运行.