脉冲星导航的整周模糊度解算方法研究

脉冲相位是X射线脉冲星导航方法的基本观测量,在测量的脉冲相位与预报相位比对的过程中存在整周期模糊度问题．借鉴GPS载波相位模糊度的解算方法,提出了单差搜索法、最小二乘搜索法和模糊度函数法3种空间搜索方法用以解算脉冲星导航系统的整周模糊度,并针对地球卫星完全迷失的情况进行了搜索仿真验证．结果表明,这3种方法都能够准确地解算出整周模糊度,均可用于脉冲星导航系统的在轨解算．其中最小二乘搜索法的性能稳定,搜索速度快;模糊度函数法搜索速度慢,但适用于装配单X射线探测器的脉冲星导航系统．     

基于脉冲星的日地系平动点轨道自主导航研究

给出一种利用X射线脉冲星的平动点轨道自主导航算法. 分析了X射线脉冲星导航原理, 以脉冲到达时间差值为基本观测量, 建立导航系统观测方程. 在高精度星历模型下, 对日地系L₁点Halo轨道建立数学模型, 利用基于UD分解的无迹卡尔曼滤波方法进行导航定位, 并研究了摄动因素对导航结果的影响. 仿真结果表明, 在日地系平动点轨道的自主导航中, X射线脉冲星导航是可行的.      

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。     

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。     

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.      

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.     

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。     

X射线脉冲星导航在行星际轨道上的应用

X射线脉冲星导航技术被认为是新一代导航技术,非常适合于行星际探测.深入分析了利用搜索空间方法求解飞行器真实位置和估计位置相位差的脉冲整周期模糊数,解决了相位导航方法存在的周期模糊数问题.利用轨道动力学模型估计飞行器的位置,并以真实位置和估计位置上的脉冲相位之差作为反馈进行偏差校正.仿真表明,X射线脉冲星导航方法在行星际轨道上是可行和高效的.     

视觉检测中圆形标志的定位方法研究

在使用圆形人工标志的计算机视觉检测中,标志的中心定位准确度直接影响到检测的整体准确度。在利用数学形态学算法提取标志边缘的基础上,采用椭圆拟合法、灰度加权质心法、灰度平方加权质心法对标志中心进行定位,并通过实验比较了三者的定位准确度和稳定性。最后得出,在视觉检测中可采用灰度加权质心法来定位标志的中心。     

脉冲星方位误差估计的两步卡尔曼滤波算法

为了克服钟差和卫星位置误差对脉冲星方位误差估计的影响,设计了两步卡尔曼滤波（TSKF）算法。首先,介绍了脉冲星方位误差估计的传统模型,并通过分析和仿真验证了钟差、卫星位置误差以及2种误差同时存在时会使脉冲星方位误差估计结果产生较大偏差。其次,在传统的估计模型中加入了钟差和卫星位置误差,并将钟差和钟差变化率增广为新的状态量,从而推导出包含2种误差的新模型,并证明了该模型的完全可观测性;根据该模型并按照两步卡尔曼滤波原理,得到了TSKF算法的步骤。最后,通过仿真表明:在钟差和卫星位置误差同时影响下,传统脉冲星方位误差估计算法偏差较大且发散;TSKF算法则能够有效隔离2种误差的影响,使赤经和赤纬误差估计达到0.2 mas之内的精度。      

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%.     

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.      

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。      

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%。      

X-ray pulsar navigation method for spacecraft with pulsar direction error

In order to reduce the impact of the pulsar direction error on the navigation system performance, a novel X-ray pulsar navigation technique is proposed. Through analyzing the system bias caused by the pulsar direction error, it can be seen that the system bias is slowly time-varying. Based on the analysis result, the augmented state unscented Kalman filter (ASUKF), in which the system bias is treated as the augmented state, is designed here to deal with the system bias and estimate spacecraft’s positions and velocities. The simulation results demonstrate the effectiveness and robustness of the proposed navigation method. The ASUKF-based navigation method for spacecraft is more accurate than the method based on unscented Kalman filter (UKF) in the presence of the pulsar direction error.     

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。     

含钟差修正的脉冲星和太阳观测组合导航

为提高深空探测器巡航段的导航定位精度和钟差修正能力,提出一种利用X射线脉冲星和太阳观测信息的组合导航方法.利用脉冲星导航的脉冲到达时间测量值,同时利用太阳敏感器、分光计分别测量太阳视线矢量和探测器相对于太阳的径向速度,并将星载时钟钟差增广为状态变量,构建组合导航系统,利用基于扩展卡尔曼滤波的UD(Upper triangular matrix-Diagonal matrix)分解信息融合算法进行状态估计.仿真结果表明,该方法能有效解决因钟差漂移引起的导航滤波发散问题,同脉冲星导航相比,该方法提高了定位精度和钟差修正能力.