X射线脉冲星自主导航系统中的信号处理方法研究

发布时间：2017-05-02 18:00

  本文关键词：X射线脉冲星自主导航系统中的信号处理方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：脉冲星得益于其广泛的空间分布性与自转周期的极其稳定性,成为目前最具前景的导航信标。基于X射线脉冲星的自主导航系统(XPNAV)克服了全球定位系统(GPS)与太空跟踪网(DSN)在深空探测中的种种局限性,是一种新型的导航方式,近年来已经成为深空导航领域的研究热点。本文从分析XPNAV系统的导航原理出发,梳理了XPNAV系统的整体框架,围绕对脉冲信号的处理,重点研究了导航系统的观测信号模拟,脉冲星辨识,相位估计等问题,主要工作内容包括:X射线脉冲信号模拟。脉冲信号模拟解决了地面很难检测到脉冲星的辐射信号,而在空间搭载观测实验平台费用巨大的问题。在简短的介绍了传统的基于泊松模型的观测信号(TOAS)模拟方法后,提出了基于脉冲轮廓拟合与Monte Carlo的快速模拟方法。首先利用混合高斯函数对脉冲星的标准轮廓进行拟合,得到轮廓的近似解析式,再利用Monte Carlo方法按照轮廓的解析式生成模拟的观测数据,仿真实验验证了所提方法的有效性。脉冲星辨识。从周期识别与轮廓匹配两个角度进行脉冲星的辨识。实现了周期识别的最小熵法,然后定义了脉冲轮廓的集中度量测函数,提出了利用最小集中度函数法进行周期识别的方法,并对其可行性给予了证明。随后提出将FFT与最小集中度量测函数法相结合进行周期识别的方法,这种方式既能够提升周期检测的效率又保证了周期估计的精确性。基于轮廓匹配的思想,提取脉冲星标准轮廓的选择双谱作为特征向量,然后利用径向基神经网络分类器(RBF)对其进行学习并实现脉冲星的分类。相位与多普勒频移估计。航天器观测到的脉冲星的观测轮廓与预测的SSB处的标准轮廓之间的相位差是后续导航滤波的输入信息,相位估计是导航系统最基本最重要的任务之一。本文实现了利用最小二乘法、循环相关法与最大似然法进行相位估计的方法。推导了相位估计的克拉美罗下界(CRLB),比较了不同方法的性能。然后对多普勒效应影响下的相位估计问题进行研究。给出了考虑多普勒效应的的必要性,对于航天器的速度是恒定与时变两种情况下的相位估计问题进行说明。
【关键词】：XPNAV 信号模拟 脉冲星辨识 相位估计
【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】：2015
【分类号】：TN96
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究背景9-10
• 1.2 课题研究意义10-11
• 1.3 国内外研究现状11-13
• 1.3.1 基于X射线脉冲星的自主导航系统研究现状11
• 1.3.2 脉冲信号处理的研究现状11-13
• 1.4 本文主要的研究内容13-16
• 第2章 XPNAV导航原理16-23
• 2.1 X射线脉冲星导航系统的原理分析16-18
• 2.1.1 脉冲星辐射机制16-17
• 2.1.2 导航原理分析17-18
• 2.2 X射线脉冲星导航系统的总体框架流程18-19
• 2.3 脉冲信号处理流程19-20
• 2.4 X射线脉冲信号模型20-22
• 2.4.1 脉冲星信号观测模型20-21
• 2.4.2 脉冲星信号标准模型21-22
• 2.5 本章小结22-23
• 第3章 X射线脉冲信号模拟23-31
• 3.1 基于泊松模型的脉冲信号模拟23-25
• 3.2 基于混合高斯模型的脉冲信号模拟25-27
• 3.2.1 脉冲轮廓的混合高斯拟合25
• 3.2.2 Monte Carlo法生成TOAs25-27
• 3.3 数值仿真27-30
• 3.3.1 仿真参数27
• 3.3.2 混合高斯拟合27-28
• 3.3.3 模拟生成光子到达时间28-30
• 3.4 本章小结30-31
• 第4章 脉冲星辨识算法31-45
• 4.1 脉冲星周期识别31-37
• 4.1.1 最小熵法32-33
• 4.1.2 集中度量测函数法33-35
• 4.1.3 FFT与最大集中度函数相结合的周期识别法35-37
• 4.2 脉冲星轮廓匹配37-40
• 4.2.1 双谱基本理论38-39
• 4.2.2 基于选择双谱的轮廓特征提取39-40
• 4.3 仿真结果与分析40-44
• 4.3.1 周期识别40-43
• 4.3.2 轮廓匹配43-44
• 4.4 本章小结44-45
• 第5章 相位估计45-59
• 5.1 相位估计方法45-50
• 5.1.1 最小二乘法45-47
• 5.1.2 循环相关法47-49
• 5.1.3 最大似然法49-50
• 5.2 相位估计的CRLB50-51
• 5.3 多普勒效应影响下的相位估计51-55
• 5.3.1 考虑多普勒效应的必要性51-53
• 5.3.2 多普勒效应下的相位估计问题53-55
• 5.4 仿真结果分析55-58
• 5.4.1 相位估计55-57
• 5.4.2 多普勒与相位联合估计57-58
• 5.5 本章小结58-59
• 结论与展望59-60
• 参考文献60-65
• 致谢65

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 张华;许录平;;基于光量子探测的XPNAV半物理仿真及建模[J];光电子.激光;2011年06期

2 刘经南,魏二虎,黄劲松;深空网及其应用[J];武汉大学学报(信息科学版);2004年07期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 刘劲;基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法研究[D];华中科技大学;2011年

2 苏哲;X射线脉冲星导航信号处理方法和仿真实验系统研究[D];西安电子科技大学;2011年

  本文关键词：X射线脉冲星自主导航系统中的信号处理方法研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：341397