X射线脉冲星自主导航算法研究

发布时间：2017-07-25 15:15

  本文关键词：X射线脉冲星自主导航算法研究

  更多相关文章： X射线脉冲星导航 相位估计 整周模糊度 单探测器多星观测

【摘要】：X射线脉冲星对于人类航天器来说,犹如天然的灯塔,其广泛的分布和稳定的信号,使其成为极具前景的天文自主导航的天然信标。近年来,X射线脉冲星导航(XNAV,X-ray pulsar-based NAVigation)已经成为航天自主导航的一个重要研究方向,基于X射线脉冲星的自主导航计划也相继开展。本文主要内容包括:研究了XNAV的基本原理。介绍了脉冲星基本特征和XNAV系统的时空参考框架,阐述了X射线脉冲星导航的基本流程,以及导航系统的基本组成。给出了脉冲星导航的定位,守时和定姿的基本原理和数学模型。研究了X射线脉冲星信号处理方法和相位估计。建立了X射线脉冲星测量的信号模型,结合实测数据对模型进行了验证。在周期折叠处理的基础上,分析了观测时间与测量轮廓信噪比的关系,给出了航天器速度不确定情况下的周期检测方法。为了提高测量轮廓信噪比,利用小波变换对脉冲星测量信号进行降噪处理。研究了估计相位的方法,提出了多尺度折叠的处理方法和加权的相位估计的改进方法。研究了XNAV中解算整周模糊度的算法。分析了脉冲星导航中出现整周模糊度问题的背景,建立了问题的数学模型。在传统模糊度域内搜索的算法基础上,提出了一种以3个脉冲星为基准星进行解算整周模糊度的算法。并且给出了本文方法的基准星选择和算法具体流程,分析了影响整周模糊度解算准确性的影响因素,最后通过数学仿真比较了本文方法与基于模糊度域内单差法与双差最小二乘的方法。研究了XNAV在火星轨道器导航中的应用。首先建立轨道器的轨道动力学模型。分析了X射线脉冲星可见的影响因素,结合轨道器的运动分析了轨道周期内脉冲星可见情况。给出了基于扩展卡尔曼滤波的导航滤波器设计,包括同时定位和守时的导航滤波器和定姿组合导航的滤波器设计。研究了单探测器多星观测的导航方法,并且和多探测器观测的方法进行了对比仿真,证明单探测器多星导航方法是否可行。最后给出了导航精度的影响因素,包括脉冲星方向和导航脉冲星测距误差,以及切换时间和轨道高度。
【关键词】：X射线脉冲星导航 相位估计 整周模糊度 单探测器多星观测
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 研究目的和意义10
• 1.2 X射线脉冲星自主导航特点10-12
• 1.3 国内外研究进展12-14
• 1.3.1 国外研究进展12-13
• 1.3.2 国内研究进展13-14
• 1.4 本文主要研究内容14-16
• 第2章 X射线脉冲星导航基本原理16-31
• 2.1 X射线脉冲星基本特征16-17
• 2.2 X射线脉冲星导航的时空参考框架17-20
• 2.2.1 参考坐标系17-18
• 2.2.2 广义相对论下时间系统18-20
• 2.3 X射线脉冲星系统组成与导航流程20-22
• 2.4 X射线脉冲星几何定位基本原理22-23
• 2.5 脉冲星信号到达时间测量23-26
• 2.6 XNAV守时基本原理26-27
• 2.7 XNAV定姿基本原理27-30
• 2.8 本章总结30-31
• 第3章 X射线脉冲星信号处理与相位估计31-55
• 3.1 脉冲星信号模型31-34
• 3.1.1 脉冲星测量信号统计特性31-33
• 3.1.2 脉冲星信号轮廓33-34
• 3.2 基于周期折叠的脉冲星信号处理34-39
• 3.2.1 周期折叠处理34-35
• 3.2.2 航天器速度不确定情况下的周期检测35-37
• 3.2.3 利用小波变换对脉冲星信号降噪37-39
• 3.3 基于时域法相位估计的改进39-44
• 3.3.1 脉冲星信号时域法相位估计40-41
• 3.3.2 利用多尺度折叠处理对相位估计改进41-43
• 3.3.3 增强相位估计鲁棒性的加权估计方法43-44
• 3.4 仿真分析44-53
• 3.4.1 脉冲星信号模型验证44-45
• 3.4.2 观测时间与测量轮廓信噪比的关系45-46
• 3.4.3 基于波形最优匹配周期检测仿真46-48
• 3.4.4 脉冲星信号降噪仿真48-50
• 3.4.5 相位估计仿真与分析50-53
• 3.5 本章小结53-55
• 第4章 X射线脉冲星导航整周模糊度解算55-77
• 4.1 脉冲星导航整周模糊度问题55-56
• 4.2 整周模糊度解算算法56-64
• 4.2.1 模糊度函数法57-58
• 4.2.2 基于最小二乘的模糊度搜索算法58-61
• 4.2.3 模糊度域内搜索算法61-64
• 4.3 基于模糊度域内搜索的改进方法64-72
• 4.3.1 改进方法的基本原理64-66
• 4.3.2 基准脉冲星的选择66-71
• 4.3.3 算法流程与分析71-72
• 4.4 整周模糊度解算正确性的影响因素72-73
• 4.5 仿真与分析73-75
• 4.5.1 仿真参数设置73-74
• 4.5.2 算法对比仿真结果与分析74-75
• 4.6 本章小结75-77
• 第5章 X射线脉冲星导航在火星轨道器的应用77-110
• 5.1 火星轨道器动力学描述77-82
• 5.1.1 火星轨道器常用坐标系及其转换77-79
• 5.1.2 火星轨道器轨道动力学模型79-81
• 5.1.3 火星轨道器姿态的运动学模型81-82
• 5.2 X射线脉冲星可见性分析82-83
• 5.3 X射线脉冲星导航滤波器设计83-90
• 5.3.1 扩展卡尔曼滤波基本方程83-85
• 5.3.2 定位与守时导航滤波器设计85-88
• 5.3.3 定姿组合导航滤波器设计88-90
• 5.4 单探测器多星观测导航方案与可行性分析90-94
• 5.4.1 单探测器守时可观性分析91-92
• 5.4.2 单探测器多星导航定位可行性分析92-94
• 5.5 定位导航精度影响因素分析94-95
• 5.6 仿真与分析95-108
• 5.6.1 火星轨道器轨道动力学仿真95-97
• 5.6.2 X射线脉冲星可见性分析97-99
• 5.6.3 定位与守时导航仿真99-106
• 5.6.4 姿态组合导航仿真106-108
• 5.7 本章小结108-110
• 结论110-112
• 参考文献112-118
• 致谢118

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