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。

X射线脉冲星导航探测器研究进展

X射线脉冲星导航作为新兴的航天器自主导航技术,具有抗干扰能力强、自主性强、导航误差小等优势,被多个国家规划为重要的发展项目。脉冲星探测存在X射线辐射流量微弱、空间本底噪声大、X射线易散射等问题,因此高灵敏度、高精度的X射线探测器系统的研制具有极其重要的意义。本文介绍了X射线脉冲星导航的基本流程和X射线脉冲星探测的发展历程,重点介绍了几种常用X射线探测器和X射线探测器系统,并对X射线探测技术的未来发展进行了展望。

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．

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。

中心差分Kalman滤波方法在X射线脉冲星导航中的应用

由于脉冲星脉冲到达时间的测量需要较长时间,基于传统的扩展Kalman滤波的X射线脉冲星定轨方法精度较低。为此,提出了将中心差分Kalman滤波应用于X射线脉冲星导航中,利用中心差分Kalman滤波替代扩展Kalman滤波,通过结合航天器轨道动力学模型和脉冲星观测信息进行定轨。仿真结果表明,中心差分Kalman滤波方法的定轨精度高于扩展Kalman滤波方法。

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。

X射线脉冲星导航探测器性能研究

为研究用于X射线脉冲星导航的探测系统性能,推导了在光子计数模式下探测系统的信噪比和最小可探测功率的关系表达式,并搭建测量信噪比和最小可探测功率的实验装置.测量了系统的最小可探测功率以及在不同光功率、不同累积时间和不同阈值电压条件下探测系统的信噪比.通过对X射线光子到达时间的测量,构造了X射线脉冲累积轮廓.实验表明:随着光功率和累积时间的增加,累积脉冲轮廓的信噪比提高,累积脉冲轮廓趋于光滑;当阈值电压为-150mV时,信噪比为26.3,累积脉冲轮廓最优;系统的最小可探测功率为3.5×10-16W.

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射线脉冲星导航探测技术发展综述

X射线脉冲星导航技术是一种具有发展潜力的新型自主导航技术,美国NASA、欧空局、日本JAXA等航天强国科研机构均将其列为重点发展对象,采用"自然界最精准的天文时钟"的脉冲星作为导航信标,可以大大提升航天器战时自主导航生存能力。本文综述X射线脉冲星导航探测技术的发展现状,深入分析X射线脉冲星导航对探测终端设备的需求,梳理出X射线脉冲星导航需要突破的关键技术及可实现的途径,为我国X射线脉冲星导航领域的快速发展提供了技术参考。

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射线脉冲星导航动态模拟实验系统研制与性能测试

本文设计了一种半实物实验系统,能模拟出航天器在地球轨道及深空飞行时接收脉冲星周期X射线信号的情形.该系统主要由动态信号数据库、X射线模拟源、真空系统和探测系统组成.模拟源可以模拟出任意波形的脉冲轮廓,探测系统的时间分辨率优于2μs,通过分析时间转化模型给出了动态信号生成方法.实验模拟了航天器在近地轨道飞行一周接收Crab脉冲信号,将采集的光子到达时间转换到太阳系质心时后累积脉冲轮廓与标准轮廓相关度为0.9882.

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(TOA)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。

基于脉冲星导航系统的X射线探测器

X射线脉冲星导航中脉冲到达时间(TOA)是脉冲星导航系统中基本的测量量,其测量精度直接影响导航定位的精度。国内外对用于X射线脉冲星导航的探测器研究还处于探索阶段。通过比较不同类型探测器的特性,根据导航定位精度对探测器各项性能指标的要求,提出一种X射线探测器系统设计方案,为用于脉冲星导航的X射线探测器的研制提供一种参考。本方案用CCD作为探测器主体,整个探测器由光学结构、CCD及电子学系统组成。

基于X射线脉冲星的深空探测自主导航方法

自主导航是实现深空探测任务的关键技术,基于X射线脉冲星的导航方法可靠、稳定、精度高,不受近地空间的限制,为深空自主导航提供了全新的思路。文章分析了X射线脉冲星导航的基本原理,提出了脉冲到达时间预报算法和整周模糊度求解方法,基于最小二乘理论研究了位置估计算法。仿真算例表明该方法在脉冲星方位误差为0.001弧秒、脉冲到达时间测量误差为1μs的情况下,140d飞行时间中定位精度优于10km,且对初始误差不敏感,可以满足深空探测的导航需要。

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。

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。

X射线脉冲星导航探测器的微通道板甄选

根据应用于X射线脉冲星导航系统的大面阵X射线探测器对微通道板（MCP）性能的要求,研究了甄选微通道板的方法。确定了甄选微通道板的4个关键参量,分别是增益的均匀性、阻抗匹配、暗计数率、增益系数。针对这4个参量设计了相应的测试实验,制定了甄选MCP的流程,并对采用该流程甄选出的MCP进行了幅值和计数率的测试。测试结果显示：采用单通道阳极接收信号时,每一个探测单元的幅值存在的相对误差各不相同,第i个探测单元输出的信号幅值的最大相对误差Δ1i和最小相对误差Δ2i的波动分别为7%-13.5%,3%-6.7%;而采用四通道共享阳极时输出信号的Δ1i为7.8%、Δ2i为3.1%;单通道阳极计数率之和（n=n1＋n2＋n3＋n4）与四通道共享阳极计数率N的相对误差为4.38%,小于预估值10%。上述实验结果表明该甄选方法能够甄选出满足探测器要求的MCP。

基于X射线脉冲星的深空探测器自主导航方案

X射线脉冲星自主导航系统可以为深空探测器提供位置、速度、时间和姿态等丰富且自主的导航信息,以X射线脉冲星测得的信息作为量测量,结合轨道动力学方程,对航天器的轨道进行自主估计确定。论文阐述了该方案的导航原理,在借鉴现有航天器导航系统的基础上,提出了基于X射线脉冲星导航的方案,介绍了方案的硬件组成、系统结构,并针对方案中导航敏感器多冗余的特征,给出了基于多传感器组合导航技术的结构,最后用仿真资料对方案做了性能概算和精度估计。

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.