X射线脉冲星导航信号处理算法研究

发布时间：2020-05-16 12:19

【摘要】：X射线脉冲星导航是一种新兴的导航方式,它利用脉冲星辐射出的X射线作为信号源进行导航,不依赖于地面测控设备或天基导航卫星,尤其适用于深空探测任务中的导航。本文以X射线脉冲星导航为背景,考虑信号噪声、星历表误差、观测量异常等因素对导航精度的影响,对脉冲星选星、信号预处理、导航算法等内容展开研究,主要内容如下:研究X射线脉冲星导航优化选星方法。根据脉冲星导航的特点,采用EPN数据库作为数据获取来源。并对EPN数据库中收集的1000多颗脉冲星数据进行分析,优选导航用脉冲星。考虑天体遮挡和太阳强辐射等因素对脉冲星可见性的影响,建立选星约束条件,对标准导航数据库中的X射线脉冲星进行初选。在此基础上,针对导航用X射线脉冲星展开优选,提出脉冲星观测模型精度因子,减小导航定位误差。研究X射线脉冲星导航系统观测信号降噪与识别方法。针对观测信号中噪声较大,影响观测量准确计算的问题,提出一种基于经验模态分解的信号降噪算法。通过相关性分析设计基于局部噪声估计方法,并将所估计噪声方差用于自适应阈值的设计,最后将该自适应阈值用于所提基于经验模态分解的脉冲星信号降噪方法中,提高X射线脉冲星观测信号的信噪比;在信号识别方面,根据X射线脉冲星信号在时域上光子辐射强度的特性,设计基于信号瞬时幅值最小距离的信号识别算法,提高X射线脉冲星观测信号识别速度。研究X射线脉冲星导航系统星历表误差校正方法。通过对星历表误差引起的导航系统观测偏差进行分析,建立带有星历表误差的观测模型,提出一种基于矩阵不等式的鲁棒卡尔曼滤波导航方法。在滤波计算的过程中,星历表误差项是未知的,利用根据量测残差协方差和矩阵不等式进行处理,确定误差协方差的下界,并修正滤波算法反馈增益得到最终的状态估计值。可以取得到较高的定位精度,有效的减小星历表误差对脉冲星导航系统的影响。研究X射线脉冲星导航系统观测量异常校正方法。考虑到观测量异常时,无迹卡尔曼滤波器算法的观测残差会发生剧烈变化,设计基于观测残差统计信息的异常检测函数,提出一种自适应无迹卡尔曼滤波算法。由于实际观测量和导航系统量测模型存在误差,当观测量受环境影响发生突变时,UKF滤波算法的量测残差会发生剧烈变化。因此,利用量测残差设计异常检测函数,对导航系统观测量进行判断。并在UKF滤波算法中加入自适应调节矩阵,建立理论上的量测残差协方差与实际值的等式关系,求出调节矩阵并修正滤波算法增益,得到准确的状态估计值,减小观测量异常对脉冲星导航系统的影响。
【图文】：

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哈尔滨工业大学工学博士学位论文终确定航天器的位置、速度和姿态等导航信息[11-12]。天文导航系信号，具有隐蔽性高、完全自主的优点，但天文导航系统在进中，观测精度会受到可视条件的影响。X 射线脉冲星导航是一星发出的 X 射线信号作为导航观测量的导航技术。作为一种新能够提供位置、速度、姿态和时间等导航信息，满足近地空间及星际间各种飞行任务的需求。由于该导航技术的这种优势，航天器自主导航领域的研究热点[13-15]。星是一种大质量天体经过演化、坍缩后等极端物理条件下形成分布在太阳系以外，距离地球十分遥远[16-17]。它具有非常极短转轴与磁极轴不重合并形成一定的夹角，如图 1-1 所示。脉冲星常强烈的电磁波，当辐射电磁波扫过地面或航天器等载体上的够在视线方向上接收到一个电磁波辐射脉冲信号。

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脉冲星导航技术国内外研究现状分析的发现被称为 20 世纪 60 年代天文学四大发现之一[23]。1生 Bell 和导师 Hewish 在对类星体的射电闪烁现象进行观现象，后经过研究分析，被认定为是一种未知天体，由于电磁脉冲信号，科学家将其命名为脉冲星[24]。脉冲星具能够以非常稳定的脉冲频率发射信号，脉冲星的这种特性航方面具有非常广阔的应用前景，，引起了各国科研机构和一课题，纷纷制定研究计划并初步建立了脉冲星导航的理线脉冲星观测技术现状脉冲星观测主要分为地面射电望远镜观测和星载 X 射线面射电望远镜观测方面，美国国家射电天文台于 1980 西哥州圣阿古斯丁平原上。该设备由 27 台口径 25 米的，可以根据任务排列成不同的形状[25]。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN967.1

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