脉冲星导航中几个问题的研究

发布时间：2020-06-30 06:57

【摘要】：随着航天事业的蓬勃发展,航天器导航技术也得到了长足的进步。人类探索范围的扩展、探测目标的多样化,对导航技术提出了更高的要求。目前常用的地基导航系统在精度、实时性、成本等方面受到限制,难以满足日渐提高的导航需求。脉冲星导航技术由于其适用范围广、自主性强、可靠性高、成本低等优点受到了广泛的关注。本文基于上述背景针对脉冲星导航技术中的相位估计和观测序列选择问题展开了深入的研究。主要内容如下:1.本文提出了一种基于离散傅里叶变换的相位估计算法。脉冲星信号的相位是脉冲星导航过程中最重要的观测量,它的精度对于最终导航精度有着巨大的影响,相位估计的计算量在整个导航过程中也占有较大比重。本文分析了经典的相位估计算法的计算复杂度,基于离散傅里叶变换的时移性质,提出了使用信号在频率域上的相位变化来估计时间域上的延迟。由于这个方法只需要计算傅里叶变换序列中的特定一项,相位估计的计算量得以减小。本文还提出了使用高斯函数近似和δ-函数近似的方法,它们能够进一步减小运算量。数值仿真证实,这种方法能够实现与传统相位估计算法相当的相位估计精度,同时具有更小的计算量,有助于提升导航实时性,特别适合于星载计算机的实时运行。2.本文提出了一种基于重采样和加权平均提高相位估计精度的算法。本文结合了“多次测量取平均能够减小测量中的随机误差”的思想以及传统的互相关算法,提出通过对于收集到的光子到达时间的重采样得到多个相位估计值,再用互相关值作为权重进行加权平均,得到更高精度的相位估计。本文分析了这一方法的内在机制,提出了两种定性的解释——基于信噪比的解释和误差-分歧权衡。数值仿真表明这一方法确实能够提高相位估计的精度。本文还针对采样率的选择进行了讨论。3.本文提出了一种选择脉冲星观测序列的方法。脉冲星导航系统的运行过程通常是一个定轨的过程,通过最优估计方法,结合航天器轨道动力学信息与脉冲星信号的测量,给出关于运动状态的最优估计。本文研究了脉冲星观测序列选择的问题。文中使用轨道状态的协方差矩阵来衡量导航性能,使用统计定轨理论中的概率椭球的概念来描述定轨误差在空间中的分布情况,进而提出了以最小化后验概率椭球的大小为标准的观测目标选择方法。根据概率椭球大小的衡量方式,提出了三种不同的策略:最小化后验概率椭球的最长主轴长度、最小化后验概率椭球的主轴长度平方和以及最小化后验概率椭球的体积。然后通过数值仿真确定了其中最优的策略:最小化后验概率椭球的主轴长度平方和。数值仿真表明,通过选择合适的脉冲星观测序列,导航的精度能够得到提升。另外,由于概率椭球的大小具有可以“离线计算”的特点,即可以在实际测量发生之前进行计算,使用这个方法,我们可以在航天任务的规划阶段提前设计好脉冲星的观测序列。本文提出的新方法能够改进脉冲星导航系统的导航精度和实时性,具有理论意义和应用价值,也将为未来的相关研究提供参考。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V448.2
【图文】：

双曲线,轨道,航天器,近心点

航天器的轨道大小和形状由半长径＾和偏心率ｅ表示，当ｅ邋＝邋0时轨道为圆形，逡逑当０＜ｅ＜ｌ时为椭圆形，当ｅ邋＝邋ｌ时为抛物线，当ｅ＞ｌ时为双曲线。轨道在空间中逡逑的指向由轨道倾角／、升交点经度Ｑ和近心点角距＆表示，它们的含义如图２．１所逡逑示：逡逑／’逦＼航天器位置逡逑Ｚ逦＼逡逑一逦逦逦逦逦邋逦逦逦邋＿邋N逡逑一厂邋／、？＇逡逑＾逦Ｘ近心点；逡逑图２．邋１轨道在空间中的指向逡逑航天器在轨道中的位置可以用真近点角／表示，也可以用偏近点角五或平近逡逑点角？Ｗ■表不。逡逑２３逡逑

模型图,灯塔,脉冲星,中子星

中子星具有强大的磁场，磁场强度高达１０１２？１０ＭＧ。中子星的辐射从磁轴逡逑方向发出。由于中子星的磁轴与自转轴不一定在同一条直线上，随着中子星快速逡逑自转，它发出的辐射在宇宙中“扫射”，像海面上的灯塔一样，如图２．２所示。因逡逑此，该模型又称＂灯塔模型”。逡逑Ｈ转轴逡逑辐射方向逡逑／逡逑图２．邋２脉冲星的＂灯塔模型”逡逑２５逡逑

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