X射线脉冲星信号相位差估计方法及应用

发布时间：2017-09-25 14:27

  本文关键词：X射线脉冲星信号相位差估计方法及应用

  更多相关文章： 相对导航 相位差估计 加权FFT 扩展卡尔曼滤波

【摘要】：基于X射线脉冲星的相对导航系统因其自主性好、可靠性高及适用性广等优点,与现有的导航系统形成优势互补,是一种全新的自主导航方法,正逐渐受到航空航天领域的高度重视和青睐。基于X射线脉冲星的相对导航主要是通过两航天器测量到的脉冲时延与它们沿脉冲星方向矢量上的距离增量之间的比例关系来实现对相对运动状态的估计。一般地,脉冲到达时间延迟量主要通过脉冲信号间的相位差来获得,其精度直接决定了两航天器相对导航定位的精度。因此,如何获得高精度的相位差成为了亟待解决的问题。在X射线脉冲星相对导航定位系统中,主要将累积脉冲轮廓或测量得到的脉冲到达时间作为相位差估计的研究对象。本文给出了一种新的加权FFT相位差估计算法,该算法是以对光子到达时间序列进行等间隔采样后得到的光子强度序列为研究对象,通过对频域内光子强度序列间的相位差进行累积和能量加权频域内相位差与各频点的比值来获得时域内相位延迟量的过程。该方法不仅可以防止轮廓累积过程中造成的有效信号损失提高信噪比,相比于脉冲到达时间还可减少数据对象加快运算速率。此外,本文还结合三维相对位置与速度解算方程和相对运动轨道动力学模型给出了基于扩展卡尔曼滤波的相对导航定位系统,对两航天器间的相对运动状态做出估计,进一步验证加权FFT算法的可行性和优效性。针对本文给出的加权FFT相位差估计算法,将非线性最小均方差法和最大似然法与其在相位差估计精度和计算复杂度方面进行了对比仿真,分析了观测时间与采样间隔对加权FFT算法的影响,并在相对导航定位系统中运用各算法对相对运动状态进行了估计。结果表明:(1)加权FFT的计算复杂度在ML与NLS之间,且比NLS和ML能够获得更高的相位差估计精度。(2)加权FFT估计的相位差均方根误差关于观测时间或采样间隔均呈幂函数形式变化,随着观测时间的延长和采样间隔的减小,其影响不再显著。(3)在相对导航定位系统中,加权FFT比NLS和ML能够估计得到更准确的相对位置和速度。
【关键词】：相对导航 相位差估计 加权FFT 扩展卡尔曼滤波
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V448.2
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符号对照表11-12
• 缩略语对照表12-15
• 第一章 绪论15-21
• 1.1 选题研究背景和意义15-17
• 1.2 国内外研究现状17-18
• 1.3 论文主要工作及各章节内容安排18-21
• 第二章 脉冲星特点及相对导航应用原理21-35
• 2.1 脉冲星的基本特征21-25
• 2.1.1 脉冲星的产生及分类21-23
• 2.1.2 脉冲星的周期23
• 2.1.3 脉冲星的脉冲轮廓23-25
• 2.2 X射线脉冲星相对导航的基本原理25-27
• 2.3 X射线脉冲星相对导航的时间观测量27-33
• 2.3.1 X射线脉冲星的脉冲到达时间测量27
• 2.3.2 X射线脉冲星的光子到达时间转换27-32
• 2.3.3 两观测脉冲信号间的时间差计算32-33
• 2.4 本章小结33-35
• 第三章 X射线脉冲星信号间的相位差估计方法35-47
• 3.1 X射线脉冲星信号的泊松模型35-37
• 3.2 非线性最小均方差相位差估计37-38
• 3.3 最大似然相位差估计38-39
• 3.4 加权FFT相位差估计39-44
• 3.4.1 加权FFT相位差估计的基本原理39-41
• 3.4.2 加权FFT相位差估计的分段特性分析41-43
• 3.4.3 分段加权FFT相位差估计43-44
• 3.5 NLS、ML及加权FFT的计算复杂度分析44-46
• 3.6 本章小结46-47
• 第四章 基于X射线脉冲星信号间相位差的相对导航应用47-57
• 4.1 基于X射线脉冲星信号间相位差的相对导航定位方案设计47-48
• 4.2 三维相对位置和速度解算48-49
• 4.3 相对运动轨道动力学模型49-52
• 4.4 扩展卡尔曼滤波52-56
• 4.4.1 系统状态方程52-53
• 4.4.2 系统测量方程53-54
• 4.4.3 更新过程54-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 仿真测试及结果分析57-75
• 5.1 NLS、ML及加权FFT相位差估计仿真对比57-62
• 5.1.1 相位差估计器的仿真参数设置57
• 5.1.2 NLS、ML及加权FFT算法的仿真流程57-60
• 5.1.3 均方根误差对比分析60-61
• 5.1.4 计算代价对比分析61-62
• 5.2 加权FFT及分段加权FFT相位差估计仿真对比62-66
• 5.2.1 观测时间及采样间隔对加权FFT相位差估计精度的影响62-65
• 5.2.2 加权FFT及分段加权FFT相位差估计的RMSE和计算代价65-66
• 5.3 基于X射线脉冲星的相对导航系统仿真66-74
• 5.3.1 相对导航系统的仿真参数设置66-68
• 5.3.2 基于NLS、ML及加权FFT的运动状态估计68-71
• 5.3.3 基于分段加权FFT的运动状态估计71-74
• 5.4 本章小结74-75
• 第六章 结束语75-77
• 6.1 论文工作总结75
• 6.2 进一步研究与展望75-77
• 参考文献77-81
• 致谢81-83
• 作者简介83-84

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本文编号：917876