X射线脉冲星自主导航的光子到达时间转换

根据广义相对论的后牛顿近似时空理论,在忽略太阳系天体自转和扁率的情况下,详细推导出X射线脉冲星自主导航中,光子到达观测航天器和太阳系质心的时间差值,它是对现行公式的修正.导出了质心坐标时与航天器固有时的变换关系,根据这一关系,建议在脉冲星导航的工程设计中可以仿照GPS,将航天器携带时钟作频率调整,从而有利于工程计算.

X射线脉冲星自主导航的卫星运动方程

基于X射线脉冲星的卫星自主导航模型中,无论从理论上还是从测量精度方面考虑,光子到达时间测量方程(观测方程)和卫星运动方程(状态方程)应在同一参考系中讨论.在DSX体系中太阳系质心系是惯性系,可以使用现行时间测量方程,但卫星摄动加速度中除了地球多极矩、日月引力摄动和太阳光压三项外,还应考虑相对论修正项,计算表明该修正项导致卫星位置误差在10m量级.而地心系是非惯性系,在此系中卫星运动方程中的相对论效应导致卫星误差在10 cm量级,因而可以忽略,但要将BCRS的时间测量方程转换到GCRS中.在此基础上建立的导航模型较为精确和完整.

X射线脉冲星导航中脉冲轮廓的频偏和时延算法

观测轮廓与标准轮廓的频率偏差和时间延迟是X射线脉冲星导航的两个观测量,讨论其计算方法并提出如下改进意见:①对探测器的最小分辨时间作进一步的时间细分,在每一个小的时间间隔内接收的光子数可以假设满足二项分布,再对观测轮廓叠加可以求得更高精度的频偏;②将实际观测轮廓分为理想轮廓及其偏差两部分,而TOA是指理想轮廓与标准轮廓的时延,Sala等人提出的用相关函数求TOA方法仅对理想轮廓成立;③如果实际轮廓在测量过程中形状不变,则偏差产生的TOA估计误差为一常数。在此基础上提出实际观测轮廓的TOA估计方法,其计算精度小于探测器的最小分辨率。

脉冲星导航系统的星历表误差RKF校正算法

为了减小星历表误差对脉冲星导航系统的影响,本文提出了一种针对星历表误差的RKF(Robust Kalman filter)导航定位方法。通过对星历表误差进行分析,得到星历表误差随时间变化的关系。建立带有星历表误差的量测模型,利用Kalman滤波原理进行计算。在Kalman滤波计算的过程中,星历表误差项是未知的,利用矩阵不等式进行处理,最终确定误差协方差的下界,并计算反馈增益得到最终的状态估计值。将RKF方法与UKF和其他两种处理星历表误差的滤波方法分别在绕飞地球和火星的轨道上进行测试并进行对比分析,实验结果表明,提出的方法可以取得到比UKF和其他两种滤波方法更高的定位精度,有效的减小星历表误差对脉冲星导航系统的影响。

基于X射线脉冲星导航系统探测器研究

综述了基于X射线脉冲星导航系统探测器的原理,分析了现有的几种不同类型探测器的性能、测时特点和应用的局限性;给出了由多只探测器组成的探测器系统的原理设计,并分析了探测器系统的构成、安装方式以及处理电路;阐述了X射线脉冲星导航系统探测器在航天器导航中的应用以及国外应用先例,为基于X射线脉冲星导航系统探测器的研制提供有用的参考。

脉冲星导航系统观测量异常的改进UKF滤波算法研究

为减小观测量异常对X射线脉冲星导航系统的影响,提出了一种改进的无迹卡尔曼滤波(MUKF)导航滤波算法。给出了轨道动力学模型和量测模型。针对观测器校准脉冲星方向时因宇宙尘埃影响会发生细微震动而产生短时段的常值误差,设计异常检测函数,可有效判断有无观测量异常发生。当观测量出现异常时,对UKF进行改进,通过调节滤波器增益减小异常观测的影响,进而得到准确的脉冲星导航系统状态估值,改进的滤波算法使整个导航系统具有更强的容错性和稳定性。对UKF,MUKF两种算法在地球近地轨道上进行了实验仿真,结果表明:提出的MUKF滤波算法可有效消除观测量常值偏差对导航系统的影响。

脉冲星导航的相对论定位法(Ⅱ):4维时空的观测方程

现行X射线脉冲星导航方法中存在两种固有误差,源于推算太阳系质心在当前时刻接收脉冲的相位以及将航天器固有时转换成太阳系质心坐标时。针对这一情况,文章根据相对论定位系统的基本思想和后牛顿引力理论,导出了X射线脉冲星导航的4维观测方程。相对于现行的3维观测方程,新方法只需根据航天器测量脉冲轮廓的相位即可完成航天器定位,不必考虑太阳系质心处的光子到达时间因而不必推算该处观测者在当前时刻的脉冲轮廓相位;也不必进行航天器固有时与质心坐标时的转换因而不必预先估计航天器的运动状态。新方法简单易行,能够有效地减小测量误差,建议在X射线脉冲星导航中取代现行观测方程。

基于X射线脉冲星的“夸父A”卫星自主导航和轨道控制

讨论X射线脉冲星导航技术应用于"夸父A"卫星的可行性。在"夸父A"卫星上搭载X射线探测器接收3颗脉冲星的脉冲信号,通过测量信号到达卫星和太阳系质心的时间偏差和频率漂移6个观测量,可以确定卫星的3维位置和3维速度。根据卫星状态与目标轨道的偏差采用小推力方法可以对卫星进行轨道控制。本文对此进行了数值模拟,并给出了相应的分析。结果表明利用X射线脉冲星导航,在现有的技术下就可以将"夸父A"卫星控制在日地系第一平动点halo轨道的附近。

X射线脉冲星自主导航的脉冲轮廓和联合观测方程

现在通用的X射线脉冲星导航的3维观测方程,是以3颗脉冲星发射的脉冲到达航天器和太阳系质心的时间偏差为观测量建立起来的.在实际测量过程中,这个观测量是通过比较航天器探测到的脉冲观测轮廓与相应脉冲星的标准轮廓得到的,而在累积观测轮廓的同时也得到了观测轮廓的周期,因此根据Doppler速度测量方程,就能够确定航天器的速度矢量.本文首先导出Doppler速度测量方程,提出在观测轮廓的积累过程中考虑航天器的速度和加速度,得到的观测轮廓的周期不同于标准轮廓.这样,将探测3颗脉冲星得到的观测轮廓与相应的标准轮廓进行比较时,可以同时获得脉冲到达航天器和太阳系质心的时间偏差和频率漂移6个观测量,从而确定航天器的3维位置和3维速度.由于信息量增加一倍,6维观测方程比现行观测方程更为精确和完整.

X射线脉冲星导航研究的若干问题

X射线脉冲星导航(X-ray pulsar-based NAVigation,XNAV)是继惯性导航、天文导航、卫星导航之后的一种新型导航技术,由于它可以为大气层外的任意航天器提供自主导航能力且具有诸多优势,近年来受到国内外研究者的极大重视和深入研究。XNAV的研究内容包括相对论框架下的大尺度时空基准和导航模型、X射线脉冲星辐射机制和观测特性、X射线探测器的探测能力和X光子谱的信号处理、动态航天器导航方法和数据处理程序等多个领域,目前已经取得一些阶段性成果。在概述XNAV主要研究内容的基础上,对国内外相关文献中一些存在争议或者没有形成共识的问题提出了看法,对下一步需要解决的问题提出了建议,希望对我国XNAV的工程研究有所裨益。

X射线脉冲星导航的时延和频偏参量估计

X射线脉冲星导航(X-ray pulsar-based NAVigation,XNAV)的原始导航信息是航天器接收的X光子时间序列,在折叠过程中估计出观测脉冲轮廓与相应标准轮廓的时延、频偏和频偏变率等参量,是XNAV的关键问题。首先给出光子数序列等相位点的时间关系,利用Larsson周期折叠法和相干函数法求初步近似;然后采用最小二乘法求高级近似,并利用循环迭代得到较为精确的频偏和时延估计值。初步仿真试验结果表明:即使不进行消噪和平滑处理,该方法也可以获得高精度的估计参数。虽然这一算法较为复杂,但它证明了XNAV的导航方法是完全可行的。

基于强跟踪扩展Kalman滤波的X射线脉冲星导航定轨精度研究

为提高X射线脉冲星导航定轨精度,依据脉冲星导航原理,建立了X射线脉冲星自主导航系统的状态方程和观测方程,提出用强跟踪扩展Kalman滤波（Strong Tracking Extended Kalman Filter,STEKF）替代扩展Kalman滤波,并对3颗脉冲星卫星运行的位置和速度估计进行了仿真实验。仿真结果表明：STEKF具有使滤波器能够自适应地校正估计偏差并迅速跟踪状态变化的能力,有效地提高了卫星运动状态的估计精度和数值稳定性。

X射线脉冲星导航的相对论定位法初探

对X射线脉冲星导航中采用相对论定位系统的可行性进行了初步探讨,相对论定位法测量的不是坐标时间,而是发射体的固有时间。推导结果表明:相对论定位法与现行的光子到达时间(Time Of Arrive,TOA)定位法在理论上是统一的,但由于测量对象不同,在某些方面前者比后者更为先进,如测量方法简单方便,测量结果稳定可靠,但对脉冲星速度和初始位置参数的精确度要求较高。

基于X射线脉冲星的Halo轨道卫星自主导航和控轨

讨论x射线脉冲星自主导航（X—raypulsar-basedautonomousnavigation，XNAV）技术应用于halo轨道卫星的可行性。给出halo轨道卫星的6维状态方程和基于x射线脉冲星导航的6维观测方程，对用x射线脉冲星导航和小推力方法控轨后的日地系第一平动点halo轨道卫星进行了数值模拟。结果表明：在现有的测量精度下，可以将卫星保持在标准轨道附近。最后对实验参数数值的选择给出了相应的分析讨论。