基于X射线脉冲星的自主天文导航技术

随着天文观测技术的发展,一类在x射线频段发出辐射的脉冲星显示了良好的导航特质,由此发展了一种全新的基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法.该方法通过探测X射线脉冲星发出的周期性脉冲信号进行导航,有别于传统的光学、射电天文导航.本文综述了基于X射线脉冲星自主导航技术,介绍其由来、发展历程、国内外研究现状,并对当前围绕该导航技术开展的研究工作进行了详细的分析,最后总结了需要进一步研究的若干问题.     

X射线脉冲星导航测量延时补偿方法研究

X射线脉冲光子是脉冲星导航系统原始观测量,利用脉冲叠加技术获取的脉冲星观测量存在测量延时问题。通过分析脉冲叠加技术原理,将脉冲星导航系统测量延时问题转化为对光子延迟时间序列的研究。提出基于轨道外推的延时补偿方法和基于组合导航的延时补偿方法,前者计算量小,宜于在测量延时较小时使用,后者不受延时大小的限制。最后通过数学仿真验证了所提方法的有效性。     

X射线脉冲星导航及其潜在应用

X射线脉冲星导航就是在航天器上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,测量脉冲到达时间（TOA）和提取脉冲星影像信息,经过相应的信号和数据处理,航天器自主高精度确定轨道、时间和姿态等导航参数的实现过程。本文在概述脉冲星导航技术发展历程和国外X射线脉冲星导航计划的基础上,分析国内开展X射线脉冲星导航技术研究的基础条件,并详细论述X射线脉冲星在导航卫星自主导航、深空探测与星际飞行、以及空间科学研究等领域的潜在应用价值。这表明X射线脉冲星导航是实现真正意义上的航天器高精度自主导航的一种有效模式和可行途径,对于国防和国民经济建设具有重要的战略研究意义。     

X射线脉冲星导航原理

X射线脉冲星导航是以脉冲星的X射线辐射信号作为信息输入,经过相应的信号和数据处理,为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等导航信息的实现过程。首先提出了基于X射线脉冲星的卫星自主导航的基本框架和实现流程;然后,概述X射线脉冲导航的时空基准,重点研究X射线脉冲星导航定位的测量方程、系统状态方程及其噪声统计特征等数学模型。最后,详细论述卫星自主导航信息处理的鲁棒滤波算法,即经典算法和现代鲁棒滤波算法。从理论方法和工程应用角度,初步论证X射线脉冲星导航的原理可行性和算法可实现性。     

X射线脉冲星导航技术及应用前景分析

X射线脉冲星能够为近地轨道、深空和星际空间飞行航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息,实现航天器全程高精度自主导航和运行管理,具有广阔的工程应用前景.本文首先概述脉冲星的基本概念和X射线脉冲星导航技术的研究状况,然后详细论述X射线脉冲星导航的基本原理、关键技术和实际工程应用前景,最后分析国内脉冲星观测研究的基础条件,以及开展X射线脉冲星导航技术研究的必要性和可行性.     

X射线脉冲星导航标准化实践与探索

简述脉冲星导航标准化实践顶层设计原则,从技术要求、系统校准、安装和标定测试等方面探索开展标准化工作的实践,结合脉冲星导航的技术特点和发展趋势,提出该领域标准化重点工作的建议,展望未来脉冲星导航领域标准化工作的发展。     

X射线脉冲星导航中的滤波方法分析

X射线脉冲星导航由于需要大量的观测数据来确定天体方位,因此需要较长的滤波周期(500 ～ 1000s),系统的状态方程是非线性的.若采用扩展Kalman滤波(EKF),线性化时会产生较大的高阶截断误差,且Jacobian矩阵不易精确计算,导致定轨的精度较低.文中采用非线性滤波方法- Unscented Kalman 滤...     

基于X射线脉冲星和星间链路的导航星座自主导航仿真研究

主要对基于X射线脉冲星和对基于星间链路的导航星座自主导航方法进行了仿真研究.同时提出了基于2种导航方法相融合的新方法,仿真研究证明两者融合的导航方法有效提高了位置估计精度,为导航星座自主导航研究提供了一种新的思路和实现途径.     

一种高精度的X射线脉冲星导航TOA估计方法

针对X射线脉冲星导航（XPNAV）系统的基本观测量--脉冲到达时间（TOA）的估计问题,提出一种高精度的TOA估计方法。该方法基于特征子空间分解类算法的高精度的参数估计特性,首先通过细致分析标准轮廓与折叠轮廓之间的互相关结果,构造新的观测方程;然后对该方程进行特征值分解得到两个相互正交的特征矢量;最后利用两个特征矢量之间的正交性完成TOA估计。数值仿真结果有效校验了算法的性能。     

基于X射线脉冲星自主导航中UKF滤波算法的仿真研究

基于X射线脉冲星的航天器导航是新的自主导航技术.鉴于该导航系统所建的状态方程和测量方程都是非线性的,本文给出在X射线脉冲星导航中采用UKF(Unscented Kalman Filter)算法仿真研究,并与传统的EKF(Extended Kalman Filter)算法进行对比分析,仿真结果显示,采用UKF算法时的导航精度比EKF算法有显著提高.     

基于光学/脉冲星的木星探测转移段自主组合导航

提出一种基于光学/X脉冲星的木星探测器转移段自主组合导航方案。该方案在探测器转移段动力学模型的基础上,以地球、火星、木星、木星卫星以及X射线脉冲星作为观测目标,从待观测目标的几何分布、视星等以及导航精度几个方面,分析光学自主导航待观测目标的可观测条件和可观测度,优化选取最优的光学观测目标;结合X射线脉冲星观测信息,构建光学/X射线脉冲星组合导航方案;结合无迹卡尔曼滤波算法,应用于木星探测转移段,实现探测器位置和速度估计。从数学仿真结果来看,该组合导航方案状态估计精度显著优于单独使用光学导航或者X脉冲星导航系统。     

基于Daubechies小波的X射线脉冲星信号降噪研究

针对X射线脉冲星弱信号埋没在强噪声中,在短时间内周期叠加的脉冲轮廓的信噪比低,影响脉冲到达时间的估计精度和效率,提出基于Daubechies小波的X射线脉冲星信号降噪的算法。在对RXTE观测数据预降噪处理和周期叠加的基础上,采用Daubechies小波算法做降噪处理,使得较短的时间内仍能获得高信噪比的脉冲轮廓。利用RXTE观测数据进行验证仿真,结果表明,该算法能有效滤除X射线脉冲星信号所包含的设备及空间环境的噪声,在保证脉冲到达时间精度的情况下,缩短了观测时间,提高X射线脉冲星导航的效率。      

一种X射线脉冲星导航的多普勒频移估计方法

为了探索脉冲星Doppler导航在近地轨道的应用,建立了近地轨道Doppler频移估计的数学模型,引入RANSAC算法和航天器速度先验信息,改进了时域χ2统计的计算精度和搜索效率,使用RXTE卫星的Crab脉冲星实测数据进行方法校验,最后讨论了影响速度测量的主要误差。结果表明：提出的方法能够有效地跟踪航天器速度变化,对于轨道高度为570km的RXTE卫星,沿脉冲星视线方向的速度估计误差为±110m/s,加速度估计误差为±0.5m/s 2。     

NPF算法在X射线脉冲星导航中的应用研究

针对X射线脉冲星导航中航天器模型的强非线性、高阶模型不确定性等问题,提出应用非线性预测滤波(NPF)算法实时估计航天器的轨道信息。首先,建立具有模型不确定性的X射线脉冲星导航定轨指标函数,优化得到满足指标函数最小的系统模型误差值,通过降低模型不确定性的影响来提高航天器自主定轨精度。对STK生成的“火星探路者”和“金星快车”及“北斗一号”三种航天器轨道数据进行分析,仿真结果表明,该算法比EKF算法具有更高的定轨精度,能够满足深空以及近地轨道航天器的自主定轨精度指标要求。     

基于电火箭推进的地-月轨道转移自主导航研究

以电推进力作为奔月航天器在进入月球影响球之后的螺旋式减速转移过程的主推进力和姿态控制力,建立限制性三体力学模型.采用星光导航方式,结合UKF非线性滤波方法进行自主导航研究.推力的引入方式能有效抑制由于航天器姿态与导航误差耦合而导致的推力矢量方向误差.通过大量的计算机仿真,详细研究和分析了电推进条件下自主导航的发散问题,有针对性地给出了抑止发散的方法,为工程实现提供了有利的参考依据.     

脉冲星导航轮廓折叠失真与周期估计算法

通过互相关算法对快速折叠算法（FFA）生成的系列折叠轮廓与标准轮廓模板进行比对,评估因真实脉冲周期与理论脉冲周期不一致导致的轮廓折叠失真,实现了脉冲星导航光子序列周期估计。针对在轨信号处理背景,通过采样率与分组模式的选择,确定周期估计搜索范围。通过实验对本文提出的算法进行了分析,证明该算法能够利用较少的观测信息在较低信噪比环境下实现光子序列周期的准确估计。     

一种图像辅助火星着陆段自主导航方法

针对未来深空探测软着陆高精度实时导航的需求,提出了一种图像辅助的自主导航方案。首先通过下降段图像与落点区域地形匹配,获得着陆器相对于落点的位置和姿态;然后基于误差Kalman模型估计着陆器的状态误差,修正惯性导航的结果;在图像信息不可用的情况下,只进行惯性递推导航;这种方案既提高了导航的精度,也能保证实时性的要求。 数值仿真验证了该方案的可行性,该方案对未来实际工程任务具有很大的参考价值。     

利用S变换的X射线脉冲星信号恒虚警率检测算法

针对传统的X射线脉冲星信号检测算法计算量大及在低信噪比下检测性能差的问题,提出了一种结合S变换的恒虚警率检测算法。首先,根据高斯白噪声的S变换域功率谱分布特性对累积信号的时频功率谱进行阀值滤波;然后累加阀值滤波后的信号功率谱作为检测统计量,从理论上对检测统计量的分布特性进行分析,得出检测统计量服从高斯分布,并用蒙特卡罗方法进行了验证。在此基础上,利用检测统计量的概率密度函数计算判决门限,从而实现了恒虚警率检测。理论分析和实验结果表明,本文算法的检测性能优于同类基于高斯分布的恒虚警率检测算法,并且具有较低的复杂度。