脉冲星信号特征识别与处理

摘要

随着人类对未知领域探索范围的扩大，深空探测对航天器自主导航提出了越来越高的要求。为了实现自主导航，人类需要构建纯自然的天体导航系统。20世纪80年代发现的脉冲星，具有稳定的周期和合适的天空几何分布，为人类构建航天器自主导航系统提供了可能性。脉冲星导航的关键技术是脉冲星信号的探测和识别。针对脉冲星信号的特点，本文设计了一种新型的脉冲星信号探测器，具有低功耗和小型化的特点。利用脉冲星信号探测器检测到的信号，对脉冲星信号进行识别和分类。本课题引入特征频率的概念对脉冲星信号进行识别，并在识别的基础上完成对脉冲星信号到达航天器时间TOA(Time of arrival)的估计。改进了传统脉冲星识别方法中的长期积累性的缺点，实现实时性的检测。利用脉冲星对航天器进行定姿，需要在信号识别的基础上，完成脉冲星矢量的测量。本文提出一种基于最小二乘法的多传感器脉冲星矢量测量算法并进行了仿真验证。
　　首先，本文对脉冲星信号的特点进行介绍，详细介绍了脉冲星适用于导航的优点和可能性。针对脉冲星信号的特点，设计一种新型的探测器—SEED。对探测器中的一个探测单元做了IC电气仿真，并建立脉冲星到达探测器的数学模型，进行了功能仿真，仿真结果表明，此种新型的脉冲星探测器可以完成脉冲星探测的功能，并兼具小型化和低功耗的优点，从而降低航天器的功耗。
　　脉冲星的自主导航技术的关键是脉冲星信号的识别和TOA(Time of arrival)的估算。本文引入脉冲星特征频率的概念，将复杂的脉冲星的周期信号的处理问题转化为简单的脉冲星特征频率信号的处理问题。分别从匹配滤波和窄带滤波的角度对特征频率识别法进行了理论推导。详细分析了脉冲星的周期特性和基频特性，论证了特征频率识别法的可行性。为保证脉冲星特征频率检测的有效性和准确性，本文利用特征频点邻阈检测的方法。通过仿真计算，利用特征频率识别法完成了单颗脉冲星与多颗脉冲星的识别。将本文所用的方法与传统的方波变换法和倒谱变换法进行比较，特征频率法在相位处理和抗噪性上表现出很好的特性。在进行TOA参数估算时，选择了相关延时法和基频检测的相位测量法，经过仿真验证，利用特征频率识别法所做的基频相位检测法具有更高的识别分辨效果。
　　为了更好的完成航天器对脉冲星信号的探测任务，需要完成脉冲星对航天器的定向工作。本文提出一种基于信息融合的脉冲星矢量测量原理，通过多敏感器的相关特性，提出一种基于最小二乘法的数据融合算法，经过仿真计算，验证此种方法可提高脉冲星矢量测量的精度。

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中文摘要

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3本文研究内容及组织结构

第2章 一种新型脉冲星探测器SEED的设计

2.1 SEED探测器的提出

2.2 SEED探测器参数设计

2.3 SEED探测器信号检测能力

2.4 SEED探测器信号检测方法

2.5 SEED探测器单元仿真与分析

2.6本章小结

第3章 面向导航应用的脉冲星信号检测方法

3.1脉冲星周期性特征与基频特性

3.2基于基频信息的脉冲星特征频率检测方法

3.3基于基频相位信息的时延估计方法

3.4本章小节

第4章 基于信息融合的X射线脉冲星方向矢量测量方法

4.1脉冲星矢量测量原理

4.2基于多传感器的脉冲星矢量测量

4.3仿真分析

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利

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致谢