基于X射线脉冲星的航天器自主导航技术研究

摘要

脉冲星犹如自然界为人类提供的一座座天然灯塔，使航天器的导航有望摆脱人造信标限制，做到大时空范围内真正意义上的航天器自主导航。近年来，科研工作者们纷纷展开了脉冲星导航技术的研究，该领域已经成为航天器技术研究的热点，随之基于脉冲星的航天器自主导航计划亦相继被提上日程。本文在调研、分析相关研究进展和兼顾其工程化实践需要的基础上，系统地研究了脉冲星导航的新方法，并且采用RXTE航天器的真实观测数据与轨道信息对文中多数原理与算法进行了仿真验证。
　　在脉冲星导航基本原理方面，仅以脉冲星确定的方向矢量和精准的脉冲周期两个基本特征为前提，提出脉冲星相对导航方法。该方法以太阳系可视为弱引力场空间的事实为基础，推导了地心惯性系下的脉冲星信号周期预测模型，建立了地心J2000坐标系下的脉冲星信号相位差与航天器在脉冲星方向矢量上位移增量的函数关系。将现有的导航方法与本文中提出的方法进行数值分析对比，在每秒更新一次脉冲星信号周期的情况下，新方案理论误差不超过一毫米，并能够利用RXTE航天器对Crab脉冲星的观测数据计算出航天器在脉冲星方向矢量上的投影，该结果与其真实轨道情况一致，同时，脉冲星相对导航方案具有计算量小、无需脉冲星信号相位预测、无整周模糊度问题和观测量直观等优势。
　　X射线探测器方面，注重X射线探测器从作为试验载荷到脉冲星导航系统中作为卫星平台载荷的角色转换，设计并提出了体积小、功耗低的CMOS工艺X射线探测器。该探测器利用高W/L值的反向偏执二极管作为敏感区，应用非门联级放大器实现对由 X射线引起的微弱电压信号的放大；引入反馈机制动态调节放大器各非门工作状态和补偿暗电流对敏感区的影响。通过半导体工艺级仿真验证所设计X射线探测器的功能。
　　脉冲星信号处理方面，在分析现有相关算法的基础上，通过对脉冲星信号的建模提取出其特征，从信号空间积累和时间积累两个角度，分别提出基于粒子滤波的信号时延快速估计算法和基于Walsh变换的信号识别与多谐波信号时延估计算法。在前一种算法中，改造了粒子滤波器中粒子分配策略，避免了标准粒子滤波器粒子退化现象，通过定义存在性指示因数做到脉冲星信号识别与时延估计的准同步完成；在后一中算法中，根据脉冲星信号的幅频特征，利用其多次谐波中含有的相位信息实现信号时延的高精度估计。为衡量算法优劣，引入脉冲星信号相位估计克拉美罗界对其进行评价，采用RXTE航天器的观测数据及其轨道数据对本文所述算法进行仿真验证，结果表明当信号积累时长超过260s时，该算法对脉冲星信号时延的估计值可极大的趋近于克拉美罗下界。
　　在基于脉冲星的导航方法方面，针对较为常见的基于时间积累的获取脉冲星导航信息存在滞后性这一问题，提出了改进的Kalman预测滤波算法，使相关的研究更接近脉冲星导航的真实情况。以此为基础，结合航天器轨道特点，对近地/深空航天器的导航分别进行了研究。对于近地航天器，考虑航天器成本等因素，主要对单脉冲星及其与天文组合的导航方案进行分析；对于深空航天器，采用执行火星探测任务的航天器轨道数据对基于三颗脉冲星的导航方案进行验证。在近地/深空航天器的导航仿真验证中，均采用了脉冲星相对导航方法建立观测方程，仿真结果验证了脉冲星相对导航方法、改进的Kalman预测滤波算法的正确性。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源及课题研究的目的和意义

1.2 X射线脉冲星导航技术研究现状

1.3 RXTE实测数据获取

1.4 论文主要工作与内容安排

第2章 脉冲星相对导航方法研究

2.1 引言

2.2 X射线脉冲星导航的时空基准

2.3 GCRS中脉冲星信号周期模型的推导

2.4 脉冲星相对导航方法

2.5 基于RXTE实测数据的相对导航方法原理性验证

2.6 本章小结

第3章 脉冲星导航系统的X射线探测方法研究

3.1 引言

3.2 脉冲星导航X射线探测任务分析

3.3 CMOS工艺X射线探测器

3.4 基本单元功能仿真验证

3.5 本章小结

第4章 脉冲星信号处理方法研究

4.1 引言

4.2 X射线脉冲星信号分析

4.3 脉冲星信号轮廓建模

4.4 基于空间积累的脉冲星信号时延估计算法

4.5 基于时间积累的脉冲星信号时延估计算法

4.6 本章小结

第5章 基于脉冲星的近地/深空导航方法与滤波器研究

5.1 引言

5.2 脉冲星导航系统滤波器的设计

5.3 基于RXTE实测数据的单脉冲星导航方法研究

5.4 单脉冲星/天文组合近地导航方法研究

5.5 基于脉冲星的航天器深空导航方法研究

5.6 本章小结

结论

研究工作总结

创新点总结

进一步研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢

个人简历