脉冲星导航自适应时延估计方法研究

发布时间：2020-07-14 06:11

【摘要】：脉冲星是一种具有自转频率可预测、周期极其稳定等极端物理特性的特殊天体,被称为“宇宙灯塔”。根据这些特性,人们提出了一种基于X射线脉冲星的自主导航技术,该技术能为航天器提供丰富的导航信息。在该导航技术中,脉冲时延是其核心测量量,脉冲时延估计(PTDE,Pulsar Time Delay Estimation)的精度与估计的实时性直接影响X射线脉冲星导航的性能。因此,研究快速高精度的PTDE算法是提高X射线脉冲星导航性能的关键。作为一种经典时延估计算法,基于自适应滤波器的时延估计算法能根据外部环境变化自适应调整自身结构,发挥算法的性能。递归最小二乘算法(RLS,Recursive Least Square)是一种收敛速度快、鲁棒性能优越的自适应算法,被认为是最小二乘问题的最优解,然而,其高性能是以很高的计算复杂度为代价来获得的。本文在深入研究RLS算法的基础上,结合脉冲轮廓的特征,提出了基于RLS算法的自适应PTDE算法(RLSPTDE)的改进算法,算法的改进方法如下:(1)提出基于快速RLS算法的自适应PTDE算法。本文分别基于快速横向滤波RLS(FTRLS)算法与稳定快速横向滤波(SFTRLS)算法建立自适应PTDE模型进行PTDE。其中,快速RLS算法利用快速横向滤波算法代替传统RLS算法收敛过程中诸多矩阵运算与Riccati方程的计算,从而降低算法的复杂度。快速RLS算法由前向预测、后向预测以及联合估计过程组成,通过这三个过程的参数互换实现快速的RLS算法,同时,保持较高的PTDE精度。此外,SFTRLS算法通过加入负反馈冗余使算法更加稳定,但计算复杂度相较FTRLS稍有增大。(2)提出基于小波变换与RLS算法的自适应PTDE方法。快速RLS算法通过降低RLS算法的PTDE性能来降低算法的复杂度,为了充分利用RLS算法的PTDE性能,提出利用多级小波变换对脉冲轮廓进行预处理获得脉冲轮廓的低频信号部分,再利用两级基于RLS算法的自适应滤波器的动态组合进行PTDE。该算法将PTDE过程分为:小波变换预处理、全局PTDE过程与局部PTDE过程,相比于RLSPTDE算法,该算法的复杂度大幅度降低,同时PTDE精度进一步提高。论文中利用欧洲脉冲星网络数据库(EPN,European Pulsar Network)的仿真数据与RXTE(Rossi X-ray Timing Explorer)卫星收集到的实测数据,分别对上述两种方法进行仿真实验,并与RLSPTDE算法进行对比。实验结果表明,本文提出的两种算法不仅具有较高的PTDE精度,而且其计算复杂度大幅度降低。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN96
【图文】：

脉冲星,辐射模型,信号,射线

图 2.1 脉冲星信号辐射模型波频段范围十分广泛，其中包括可见光，X 射线光子属于高能粒子，能量在以 X 射线向宇宙空间中辐射，X 射线信因此其在大气层外具有很强的穿透能力适合在大部分航天器上应用，资料显示 X 射线光子，因此基于 X 射线脉冲星信在 X 射线波段，蟹状星云脉冲星(PSR X 射线光子流量大且脉冲辐射周期非531+21 被考虑用来实现航天器导航任导航集中在两方面：一是 XNAV 时空基准的冲星导航的时空基准是指脉冲星信号到

射线脉冲星,天文导航,原理框图

自主地为航天器提供精确的速度、时间、姿态与位置等导航定位信息。XNAV 系统由 X 射线星载探测器、星载处理设备、数据库等软硬件设备组成。如图 2.2 为 X 射线脉冲星自主天文导航原理框图。图 2.2 X 射线脉冲星自主天文导航原理框图图 2.2 可以将 XNAV 原理总结为下面五个环节：

示意图,脉冲星,示意图,射线脉冲星

图 2.3 脉冲星导航示意图图 2.3 所示，其中，X 射线脉冲星辐射的 X 射线光子信号流到达 S tSSB表示，X 射线脉冲星辐射的 X 射线光子信号流到达航天器处的，tSC与 tSSB之间的差值为脉冲到达时延。其中，tSSB可以通过长时天文观测建立起的脉冲星星钟模型计算获得，tSC通过星载原子钟据这两个参数可以获得如下表达式 ( ) SSBSCRnctt X 射线属于一种光子，因此 c 为光速， R 是航天器在太阳系质心坐矢量，n 是航天器相对于脉冲星方向的单位矢量，δ表示测量误差。， R 必须包含三个位置矢量才可唯一确定航天器在宇宙中的位置，察 3 颗或 3 颗以上不在同一方向矢量的 X 射线脉冲星，通过建立如航天器在 SSB 坐标系中的位置矢量 R 。 1111() SSBSCRnctt

【参考文献】