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...     

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。     

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。     

Crab脉冲星标准脉冲轮廓更新对计时精度的改进

对于脉冲星试验01星的两年实测数据，针对蟹状星云脉冲星星历经历了多次更新的特点，提出了更新标准脉冲轮廓进行X射线计时的改进方法。以一系列观测时长为实测数据分组，再采用改进后的方法进行计时分析并与改进前的结果进行对比。通过对比改进前后的计时结果，发现改进方法得到的计时残差的均方根(root mean square, RMS)平均降低了14.2%，定位精度平均提高了14.4%，估计原子钟相对频率偏差的精度平均提高了26.2%，体现了改进方法处理经历多次星历更新的Crab脉冲星观测数据的合理性和优越性。此外，改进方法对脉冲星试验01星两年观测数据的稳定度σz没有量级上的改进，说明改进方法对Crab脉冲星时间稳定度的影响不大。     

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。     

X射线脉冲星计时导航应用模式与空间试验进展

结合国家导航体系发展与工程应用迫切需求，主要讨论了X射线脉冲星计时导航的应用模式，并介绍了国内外空间试验进展。总结了脉冲星计时地基射电与空间X射线观测的特点和发展现状，阐释了脉冲星时研究与发展的重要意义；总结并归纳了X射线脉冲星导航的应用特点和现有水平，讨论了X射线脉冲星导航的技术优势和典型应用场景；总结了国内外X射线脉冲星计时导航的空间试验进展。根据国内外的空间试验结果，脉冲星时稳定度可达10-14量级，脉冲星导航精度可达到km量级，初步具备在轨应用价值。因此，加快推进国内脉冲星计时导航技术的在轨演示验证与工程应用具有重要意义。     

J0613-0200驾驭铯钟的方法

近年来随着脉冲星观测设备性能提升，尤其是中国FAST的投入运行，毫秒脉冲星的计时观测精度不断提高，观测资料的数量、质量及时效性也显著改善，为脉冲星时的建立及应用提供有力的数据及技术支持。脉冲星时与原子时具有优势互补的特点，利用中国科学院国家授时中心的铯钟和相关时频设备，结合IPTA dr2数据资料，建立脉冲星驾驭铯钟的实验系统。并以J0613-0200为参考，开展单颗毫秒脉冲星驾驭铯钟的研究。截止目前，实验结果符合单颗毫秒脉冲星驾驭铯钟的预期，证明了脉冲星驾驭原子钟的可行性，并且实验系统建立的综合时间尺度保持了铯钟稳定度的优势。     

脉冲星试验01星科学试验与成果

X射线脉冲星导航作为一种战略性、前沿性、基础性技术，自概念诞生以来就备受国际关注。由于脉冲星导航仿真验证模型复杂，关键技术难以全部地面验证，为此中国于2016年发射了脉冲星试验01星开展系列科学试验。对脉冲星试验01星科学试验成果进行了系统总结：利用大流量脉冲星实测数据对Wolter-I聚焦型探测器在轨能量响应、时间响应、有效面积和本底噪声进行了测试标定，基于低流量脉冲星实测数据开展了空间环境探测试验，对蟹状星云（Crab）脉冲星进行长期观测并计时分析得到了高精度自转参数，初步试验验证了脉冲星导航技术。结合脉冲星试验01星的科学试验经验提出了未来发展方向。相关试验的开展摸清了中国脉冲星导航技术能力现状，获取了大量自主观测数据，加速了中国脉冲星导航技术发展。     

基于IPTA数据的毫秒脉冲星综合稳定度评估

利用脉冲星极其稳定的自转频率可以形成一种天文时间基准，部分毫秒级脉冲星的稳定度甚至超越了原子钟，但其观测稳定度易受多种噪声源的影响。一般来说，不同的脉冲星的噪声大部分是相互独立的，因此可以通过加权综合和滤波算法构建综合脉冲星时，有效去除计时残差中的噪声。针对此问题，采用10颗毫秒级脉冲星的国际脉冲星计时阵列（international pulsar timing array, IPTA）数据进行了稳定度评估分析，其中7颗脉冲星的观测数据长度在10年以上。综合考虑单颗脉冲星稳定度评估的结果和观测数据的长度后，筛选出了4颗脉冲星用于构建综合脉冲星时。同时对比了经典加权算法、小波分解算法和维纳滤波算法的综合脉冲星时稳定度结果。结果表明：脉冲星的长期稳定度优于短期稳定度，2颗脉冲星在1年处稳定度达10-15量级，8颗在1 000天处也达到了10-15量级，其中PSR J1600-3053在5年处稳定度达到了最佳，为7.023×10-16 。此外，三种算法中，维纳滤波建立的综合脉冲星时稳定度最佳，在5年处达到了1.502×10-15，优于参与构建的其他所有脉冲星的5年稳定度。     

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。     

利用GECAM卫星Crab脉冲星观测数据的定轨分析

怀柔一号引力波暴高能电磁对应体全天监测器（GECAM）卫星是中国探测引力波暴（GWBs）、快速射电暴（FRBs）和伽马射线暴（GRBs）等暴发现象高能电磁对应体的空间天文卫星。得益于使用硅光电倍增器代替传统器件的创新设计，GECAM在具有很高的时间分辨率（0.1μs）、绝对时间精度（～3μs）和很广视场的同时大幅减轻了重量。利用GECAM卫星的Crab观测数据，基于轨道动力学模型和脉冲星脉冲轮廓显著性分析的定轨算法（SEPO）开展了单脉冲星的定轨验证。结果表明该算法能实现对GECAM卫星B卫星的轨道进行定轨，利用40天的在轨观测数据可得定轨精度（99.7%置信度）如下：轨道半长轴精度为5.85 m，偏心率精度为0.000 121，轨道倾角精度为0.013 1°，升交点赤经精度为0.165°，近地点幅角精度为0.216°，平近地点角精度为0.217°。试验证明了用作伽马暴监视的微小卫星也可进行脉冲星定轨，为中国未来脉冲星空间定轨和导航提供了新的思路。     

基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位方法

受X射线脉冲星导航技术的启发，提出了一种基于仿脉冲星X射线信标的航天器定位新方法，即利用人造信标模仿脉冲星发送高稳定性高信噪比X射线脉冲信号为航天器提供定位服务。首先介绍了仿脉冲星X射线信标基于三球交汇的定位原理，在分析X射线信标信号覆盖范围与天体引力摄动的影响的基础上，提出了在太阳系行星轨道中的拉格朗日点布置X射线信标的方案。其次，分析论证了人造辐射源的可行性，并基于优选脉冲星准则并结合实际脉冲星特征对辐射源参数进行初步优化。然后针对将来可能的地火转移任务需要，结合航天器动力学模型构建了基于X射线信标的观测方程，采用扩展卡尔曼滤波方法，研究了X射线信标几何分布、观测误差、信标数量、钟差及轨道误差对于航天器位置确定精度的影响。仿真结果表明，在同时观测3颗信标、TOA(Time of Arrival)测量精度为50 ns的条件下，该方法的航天器位置估计精度可达152 m，并且大部分信标组合都能将定位误差控制在1 km内。增加观测信标数量对定位精度较低信标组合的提升显著，但由于太阳系各行星间轨道倾角较小，地火转移轨道航天器同时观测5颗信标时定位误差仍在百米量级。根据深空探测领域航天器的实际...     

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...     

基于地球坐标系的SINS/GNSS极区组合导航算法

针对极区范围经线收敛速度加快并汇聚于极点,使航向失去参考基准,定位误差急剧增大的问题,结合极区航行过程中对导航精度的需求,提出了一种适用于极区的基于地球坐标系的SINS/GNSS组合导航方案。给出了基于地球椭球模型的横向坐标系定义以及与地球坐标系之间的转换关系;设计了地球坐标系下的SINS/GNSS组合导航算法;最后将地球坐标系下的导航结果转换到横向坐标系。仿真结果表明,基于地球坐标系的极区组合导航方案的导航误差收敛迅速,在1800s的仿真时间内,姿态精度达到0.4′,定位精度达到2m,速度精度达到0.02m/s;其中定位和航向精度略优于横向地理坐标系下的组合导航方法,且可为载体穿越极点时提供稳定的导航信息。     

考虑有色噪声影响的脉冲星导航2级强跟踪差分滤波器

为提高X射线脉冲星导航对有色噪声及太阳系内星历误差的鲁棒性，设计了2级强跟踪差分滤波器（TSTDKF）。首先在分析导航原理基础上，导出了中心天体星历误差对导航结果的误差传递关系，并利用扩展卡尔曼滤波器（EKF）进行了仿真验证；在同一运行轨道上，又结合引力摄动模型对第三天体引力摄动数据进行了分析，证明该部分噪声为有色噪声。根据以上结论，将普通2级卡尔曼滤波器（TKF）的无偏滤波器设计为一种改进的差分卡尔曼滤波器以降低有色噪声对导航系统的影响，同时又在其独立偏差滤波器中根据观测残差构建了多重自适应调节因子以增强其跟踪性能，两者共同构成TSTDKF的2个并行滤波器。通过仿真实验证明，TSTDKF的位置误差性能最大可比EKF和TKF改进56.49%和35.18%，速度误差性能改进27.66%和17.07%；对星历误差的跟踪效果也整体好于TKF。     

基于ST-EKF与滤波增益约束的加速度计微g级标定

提高加速度计组件的标定精度是实现高精度导航、高精度测姿的重要途径.针对加速度计组件通过线性误差模型标定后难以达到微g级精度的情况,建立了包含二次项误差和振摆误差在内的加速度计组件误差模型,并提出了一种基于状态变换Kalman滤波与滤波增益约束的系统级标定算法.该算法借鉴Schmidt-Kalman滤波器与可观测性约束Kalman滤波器原理,可减小滤波状态协方差矩阵计算误差和滤波增益计算误差,从而提高弱可观误差状态的估计精度.与传统系统级标定算法的对比实验表明,所提出的新算法能够更加精确估计出包含二次项误差与振摆误差在内的加速计组件的各项误差,新算法使在大水平姿态倾角下的重力模值测量残差的均方差从线性误差模型的24.12μg、线性/二次项误差模型的13.38μg减少到6.71μg.4500s大水平姿态变化下的纯惯导实验结果表明:与仅用线性误差模型的系统级标定结果相比,系统级标定新算法使惯导系统的东向、北向导航最大位置误差分别从192.40m、96.72m减小到74.64m、65.44m.所提出的系统级标定新算法具备更好的标定精度,从而使得导航精度得到提高.     

基于Starlink机会信号/INS的组合导航方法

针对全球卫星导航系统(GNSS)因频点单一、落地功率低、易受电磁干扰以及存在覆盖较差区域等潜在的被拒止或被干扰导致的导航系统性能降低甚至失效的问题,提出了一种基于星链(Starlink)机会信号融合惯性导航系统(INS)的飞行器动态组合导航方法。首先分析了星链信号体制,建立了基于星链星座卫星下行机会信号的瞬时多普勒定位观测模型,设计了一种基于频率细分的快速最大似然多普勒频率估计方法,然后建立了基于扩展卡尔曼滤波(EKF)的Starlink机会信号/INS的组合导航模型,并对该导航方法进行了实验及分析。结果表明,该方法可为飞行器提供长航时、连续、高精度的导航。动态飞行情况下,该方法可实现平均优于25 m的三维定位精度和平均优于0.1 m/s的速度估计精度,比相同观测时间下的惯导精度提高了1～2个数量级,显著提高了飞行器的导航精度,可为战略导航提供方法和技术支撑。     

基于极大似然估计器的GNSS矢量跟踪算法

矢量跟踪是一种将全球导航卫星系统(GNSS)接收机的信号跟踪与导航解算融为一体的跟踪算法。传统的基于矢量延迟/频率锁定环(VDFLL)的跟踪算法普遍采用延迟锁定环(DLL)和锁频环(FLL)鉴别器计算伪距和伪距率偏差观测量,由于锁频环鉴别器存在近似误差和一步延迟效应,在高动态环境下容易造成环路失锁。从直接估计卫星信号特征参数的角度出发,基于中频信号模型构建码相位和载波多普勒的极大似然代价函数,采用非迭代估计算法得到各通道码相位和多普勒频移的估计偏差,转换为卡尔曼滤波器的观测矢量,提出一种基于极大似然估计器(MLE)的矢量跟踪算法。理论分析和仿真结果表明:新算法结合了极大似然估计和矢量跟踪的优点,克服了FLL的延迟效应,与基于VDFLL的矢量环路相比,高动态环境下的跟踪稳定性更好,可以对被遮挡的卫星保持持续的跟踪。     

基于INS/前视声纳组合的输水隧洞AUV巡检定位方法

当潜航器(AUV)进行输水隧洞巡检时,多普勒测速仪(DVL)声波会对前视声纳图像产生干扰,针对这一问题提出了一种从AUV上卸载DVL,直接从前视声纳图像中提取栽体速度,而后和惯性测量单元(IMU)进行组合导航的方法.该方法根据前视声纳成像原理,建立起每相邻两帧声纳图像间载体的相对位移与配对特征点的图像坐标之间的联系,针对水底为局部平坦区域的情况,对特征点仰角进行了估算.通过惯导速度约束和随机抽样一致(RANSAC)算法,剔除误差较大的配对点,然后利用提取出的载体速度作为观测量进行卡尔曼滤波.经实际数据测试,惯性导航系统(INS)/前视声纳组合的总体性能和INS/DVL组合非常接近,以输水隧洞内的接缝线作为定位基准,INS/前视声纳组合导航在沿隧洞方向上的最大相对定位误差小于行程的1％.     

自主机动条件下的实时定轨方法

中继卫星在跟踪自主机动用户目标时,由于机动轨道未知,需要利用中继卫星下传的星载GNSS(Global Navigations Satellite System,全球导航卫星系统)数据进行实时轨道确定与预报,为中继卫星跟踪提供实时的引导信息,以方便中继卫星快速捕获目标和连续稳定跟踪。针对该类用户目标的任务需求,讨论了基于星载GNSS数据自主机动条件下的实时定轨方法,建立了连续推力机动力学模型。以某一型号卫星的实测数据进行分析验证,并对轨道机动进行辨识,计算的机动加速度和机动时间与试验单位提供的结果一致。针对卫星不同机动情况,5min的观测数据定轨预报10min的弧段,最大位置误差小于8km,可以为中继卫星快速捕获提供高精度的引导信息。