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.      

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。     

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。     

空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式:地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。     

空间计量与脉冲星导航

以脉冲星导航技术为背景,讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题。首先介绍了脉冲星导航的基本原理,和不同坐标系之间的时间尺度转换,比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响,说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓。进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式：地球卫星导航模式和脉冲星导航模式。以脉冲星导航为例,讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法,给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式。最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路。     

脉冲星导航试验卫星时间数据分析与脉冲轮廓恢复

脉冲星导航试验卫星(X-ray Pulsar-based Navigation-1,XPNAV-1)是中国致力于脉冲星导航空间试验验证的首颗试验卫星,旨在研究X射线光子时间数据处理分析方法,通过实测数据恢复脉冲轮廓,以验证使用国产X射线探测器观测脉冲星的能力。文章对XPNAV-1卫星科学试验任务作了介绍,给出了光子时间数据处理的步骤,建立了脉冲星X射线大尺度延时模型;针对XPNAV-1卫星实测蟹状星云(Crab)脉冲星数据,借助大尺度延时模型将光子到达时间改正到了惯性参考点,使用历元折叠方法获得了Crab脉冲星脉冲轮廓曲线,其特征的双峰结构表明国产探测器成功实测了Crab脉冲星观测。     

间接稳定式光电稳瞄系统误差建模与补偿

为提高间接稳定式光电稳瞄系统的稳定精度,建立了系统的稳定误差模型.研究了基于旋转调制技术的陀螺消噪方法;设计了采用测速发电机和光电码盘组合的测速方法,用以消除码盘的量化噪声;分析了陀螺和摄像机安装偏角与视轴稳定误差之间的关系,提出了基于光电跟踪技术的安装偏角估计方法.实验及仿真结果与理论分析吻合较好.结果表明:对系统进行完整的误差补偿后,采用低精度MEMS(Micro Electronic Mechanical System)陀螺的间接稳定系统的稳定精度与中等精度光纤陀螺直接稳定系统的稳定精度相当.     

X射线脉冲星导航技术研究进展

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,实现航天器高精度自主导航和运行管理,有着巨大的发展潜力.本文论述了X射线脉冲星导航技术研究历程;重点研究了X射线脉冲星导航的基本原理、信息处理流程和自主导航算法,进而提出了脉冲星导航的关键技术;分析了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.      

基于ASUKF的火星探测器脉冲星自主导航方法

脉冲星导航可靠、稳定、精度高, 是实现火星探测器自主导航的有效手段之一.针对脉冲星导航中脉冲到达时间的微小误差会引起巨大的位置估计误差这一问题,提出了一种基于扩维Unsented卡尔曼滤波(ASUKF,Augmented State Unscented Kalman Filter)的火星探测器脉冲星自主导航方法,建立了以位置、速度和脉冲到达时间的常值测量误差作为状态量的导航系统数学模型,可在对探测器位置、速度进行估计的同时有效估计并修正脉冲到达时间的常值测量误差,并降低随机测量误差的影响.仿真结果表明该方法的导航定位精度可达350m以内,可以满足火星探测自主导航的需要.     

基于单X射线探测器的航天器深空巡航段自主导航研究

为提高X射线脉冲星自主导航系统的工程实用性,提出一种利用单X射线探测器的深空巡航段自主导航系统,以脉冲星的脉冲到达太阳系质心时间差值作为基本观测量,利用美国"深空一号"任务中的批处理加权最小二乘滤波算法,估计航天器的位置和速度.以"深空一号"任务星际巡航段轨道为例,进行了数学仿真,并分析了脉冲星个数、脉冲星测量数据批数及定轨周期对导航结果的影响,并同卡尔曼滤波方法进行了比较,仿真结果表明了该系统的可行性和有效性.     

深空组合导航中天文测速观测研究

深空天文测速导航方法以空间中的某颗恒星为目标,利用航天器自身携带的光谱仪测量相对于恒星的移动速度来实时调整自行速度和路线。太阳是主要的测速导航源之一,利用目前运行的空间卫星的光谱观测资料,分析和研究了太阳相对于卫星的视线速度和速度误差变化情况,为本项目中自主导航光谱提供实测证据。选取了太阳表面5个位置的光谱观测,持续时间在一个小时左右,通过高斯谱线轮廓拟合观测数据,得到了太阳表面5个位置的亮度变化、谱线宽度和速度,其中主要参数速度平均值大约在10 km/s,和速度变化在3 km/s。这是由太阳表面存在大量的微观尺度上的物质运动所导致的。     

脉冲星导航中最优脉冲星组合选取方法

分析了X射线脉冲星导航原理,发现脉冲星的位置和脉冲到达时间(Time of Arrival,TOA)的测量误差直接影响导航精度.为优选导航脉冲星组合,在误差协方差分析的基础上,提出了一种导航脉冲星组合优选方法.该方法分别定义了优选指标位置精度因子(Positioning Dilution of Precision,PDOP)和脉冲星优选指标(Pulsars Select Criteria,PSC),不仅考虑了脉冲星空间位置分布,还考虑了测量噪声差异对导航误差的影响.最后以25颗信号品质较好的脉冲星为例,仿真验证了所提方法的有效性.     

基于跟踪微分器的CMG框架超低速测速方法研究

超低转速下,框架的测速精度是影响控制力矩陀螺框架系统控制精度的重要因素。针对超低转速下使用传统一阶后向差分方法计算转速会导致噪声放大的问题,给出了一种基于非线性跟踪微分器的实时速度估计方法,以及该方法基于四阶龙格库塔法的离散表达公式。提出了一种复合的测速策略,解决了直接使用跟踪微分器计算转速的跟踪延迟问题。进行了数值仿真分析和试验验证,仿真结果表明,所提出的测速方法有效降低了传感器输出的量化噪声和测量噪声对速度测量精度的影响;试验测试结果统计表明,相比传统的后向差分法,采用跟踪微分器计算转速,框架速度的波动量减小了67.1%。     

某水下发射系统水平运动机构速度校准

由于使用环境的特殊性,某水下发射系统水平运动机构需要在水下进行速度校准.本文介绍了某水下发射系统水平运动机构的基本特征,机构自身测速系统的原理及优缺点.根据水下发射系统实际情况,分析了采用多普勒测速、惯性测速、电磁测速等方法进行水下速度校准的应用局限性.为解决上述几类水下测速方案应用局限性,给出了采用光电感应测速的校准...     

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。     

基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航

基于星间链路的导航星座自主导航,存在星座整体旋转误差随时间累积问题,致使星座难于长时间自主运行。X射线脉冲星导航为星座整体旋转问题提供了一种新的解决途径:在导航卫星上安装X射线探测器,探测脉冲星辐射的X射线光子,整合脉冲轮廓和提取影像信息,星载时钟记录脉冲到达时间,经过星载计算机处理得到卫星位置、速度、时间和姿态等导航参数;脉冲星辐射的X射线信号为导航卫星提供了绝对时空基准,不存在星座整体旋转问题。在简要论述基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航的基本概念、系统组成和几何原理的基础上,重点研究了导航卫星轨道确定与时间同步的自适应卡尔曼滤波算法,并通过数值分析试验,初步论证利用X射线脉冲星解决自主导航星座整体旋转问题的可行性和合理性。     

基于跟踪微分器的CMG框架超低速测速方法研究

超低转速下,框架的测速精度是影响控制力矩陀螺框架系统控制精度的重要因素。针对超低转速下使用传统一阶后向差分方法计算转速会导致噪声放大的问题,给出了一种基于非线性跟踪微分器的实时速度估计方法,以及该方法基于四阶龙格库塔法的离散表达公式。提出了一种复合的测速策略,解决了直接使用跟踪微分器计算转速的跟踪延迟问题。进行了数值仿真分析和试验验证,仿真结果表明,所提出的测速方法有效降低了传感器输出的量化噪声和测量噪声对速度测量精度的影响;试验测试结果统计表明,相比传统的后向差分法,采用跟踪微分器计算转速,框架速度的波动量减小了67.1%。     

X射线脉冲星/SINS组合导航研究

X射线脉冲星导航是一种新兴的天文导航方法, 该导航方法可靠、稳定, 不受近地空间的限制, 但在轨道机动过程中导航精度不高. 针对此问题提出了X射线脉冲星/SINS组合导航方法, 对该方法的应用效果进行了数值仿真分析. 结果表明, X射线脉冲星/SINS组合导航在轨道机动过程中具有较高的导航精度, 有效抑制了惯性导航误差随时间的漂移, 提高了X射线脉冲星导航方法的通用性, 为X射线脉冲星导航的工程应用奠定了理论基础.      

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。     

X射线脉冲星导航标称数据库构建

脉冲星导航数据库是在地面定量验证X射线脉冲星导航关键技术和模拟导航过程必不可少的一部分。然而,目前并无文献针对脉冲星导航进行数据库的专门设计。为此,文章通过搜集现有国际公开的脉冲星数据,构建了脉冲星导航标称数据库。建立了基于品质因子的目标源优选准则,选择了26颗X射线脉冲星作为导航源;分析确立了数据库参数字段的具体组成,包括自转模型参数、延时模型参数、脉冲星到达时间〖BF〗（TOA）〖BFQ〗精度参数与脉冲轮廓参数;对这26颗脉冲星进行了编目;最后给出了标称数据库的接口与应用方式。标称数据库结构与未来星上数据库结构一致,当前服务于地面试验,待观测数据更新后可以升级为星上数据库。