X射线脉冲星导航方法及其在卫星轨道估计中的应用

摘要

X射线脉冲星导航(XNAV)是一种新型空间导航手段,依赖于数千光年外脉冲星的脉冲信号进行定位与授时。地球卫星的轨道估计(Orbit Estimation)和航天器深空导航是XNAV的两个主要应用领域。
　　本文以XNAV为研究的对象,以地球轨道卫星的自主导航为研究背景,以研究XNAV的导航原理、新型导航模式为途径,以构造地球轨道飞行器的可观测性评估算法为理论分析手段,以分析轨道估计的最小条件、分析XNAV修正钟差的效果为导航方案设计的经验指导和理论依据,并以全球导航卫星星座(GNSS)的系统级导航仿真作为论文综合工作成果正确性、有效性的验证,论文最终的目的是为地球轨道卫星修正提供一套基于XNAV的现实可行的高精度、高自主性和低需求的导航解决方案,并且为导航方案设计提供一系列理论和经验指导工具。
　　论文的主要研究内容包括以下几个方面:
　　首先,基于现有标准XNAV绝对式测量的基础,给出了增量式XNAV和相对式XNAV的导航方程,并分析了三种模式下的导航需求和测量噪声,通过仿真对比了三种模式的导航效果。仿真与分析结果表明,标准XNAV容易受钟差影响,而增量式和相对式XNAV模式几乎不受钟差影响且精度与标准式XNAV相近,两种新型XNAV模式更加适用于地球轨道卫星的轨道估计。
　　其次,针对卫星轨道估计中可观测性分析理论的空白,提出了一套可观测性评估算法:全局可观测性评估算法——误差放大系数EAF、局部评估算法——各状态误差放大系数EAFE。其中EAF可以量化评估一个导航方案的可观测性,能够判断方案是否能够达到完全观测,并且能够比较不同方案间的可观测性优劣;而EAFE则能够深入考察一个导航方案中各个状态变量的可观测性情况,能够辅助深入分析方案中特定状态变量如星钟误差的可观测性情况。论文利用充分的理论推导和仿真结果证明了两种数学工具的有效性。
　　第三,从航天器的重量限制和缩减导航成本的角度出发,给出了各种卫星星座和编队下的需求最低、精度最高的最小导航方案。论文结合可观测性分析算法 EAF和大量的仿真验证,确定了航天器群构型的轨道高度、轨道间松紧度以及构型的形状会对相对导航手段的影响;最终确定了在单航天器导航中,仅需2颗脉冲星和单 X射线探测器即可达到完全观测,而在多航天器导航中,仅需1可脉冲星即可达到完全观测,且导航精度可达10m左右水平。论文提出了基于单 X射线探测器轮流观测多脉冲星的导航方案,通过仿真和分析说明了该方案是最适于航天器编队的导航方案。
　　第四,根据脉冲星的高精度守时特性,结合可观测性评估算法EAFE分析了利用XNAV进行轨道估计时系统对星钟误差的可观测性情况,并得出了采用增量式和相对式XNAV时星钟误差无法观测,而标准XNAV则能够有效的对星钟误差进行估计。理论分析和仿真结果表明,仅在单脉冲星导航时,即使系统不完全可观测钟差也可以被观测,且授时精度较高可达50ns以内;而随着导航精度和可观测性的提升,钟差的估计精度也会随之提高到15ns的水平,满足GPS星座的授时要求。
　　最后,综合以上各项理论评估算法和研究发现作为系统级导航方案的设计指导,在GNSS全球导航星座导航的应用背景下,综合设计了一套完全自主的高精度导航体系,考虑了简化导航需求和成本,分析了导航结果的误差来源进而引入迭代算法以提炼导航极限精度,将星座拆分以取得导航计算量、导航设备需求和导航精度之间的平衡,以较小的设备需求和计算量取得最佳的导航结果。仿真结果表明,在完全自主的GNSS系统级导航中,仅采用单脉冲星XNAV,配合合理的组合导航方案和导航算法结构,全部卫星均可以达到3m以内的导航精度。

目录

绪　　论

1.1 引言

1.1.1 XNAV发展综述及论文的主要研究内容

1.1.2 论文的研究路线图和研究方法

1.1.3 论文的研内容和研究成果

1.2 课题背景及研究意义

1.2.1 课题来源

1.2.2 课题背景

1.3 国内外研究现状

1.3.1 X射线脉冲星导航的研究分类

1.3.2 X射线脉冲星导航的研究进展和成就

第2章 XNAV导航基础和数学工具

2.1 X射线脉冲星导航基础

2.1.1 X射线脉冲星

2.1.2 脉冲轮廓和TOA估计

2.1.3 X射线脉冲星时间模型的建立

2.1.4 X射线脉冲星导航原理

2.2 TOA估计的精度

2.2.1 TOA估计方法和精度预期

2.2.2 主要的导航脉冲星参数

2.3 结合轨道运动速率的TOA估计

2.4 静态估计及滤波器

2.4.1 Bayes估计

2.4.2 Kalman滤波器

2.5 轨道方程

2.6 导航方程及对比

2.7 本章小结

第3章 XNAV的3种工作模式

3.1 引言

3.2 标准XNAV

3.2.1 标准XNAV的导航模型

3.2.2 时间转换方程

3.3 增量式XNAV

3.4 相对式XNAV

3.5 三种XNAV的测量噪声

3.5.1 三种XNAV模式的误差源

3.5.2 三种XNAV测量误差的联系

3.6 三种XNAV导航效果对比

3.6.1 导航测量方程

3.6.2 仿真设定

3.6.3 三种模式导航效果比较

3.6.4 星钟误差对各种模式的影响

3.7 滤波曲线平滑方法

3.7.1 各种滤波曲线平滑方法介绍

3.7.2 对比仿真

3.8 本章小结

第4章 卫星轨道估计的可观测性评估算法

4.1 引言

4.2 问题的描述

4.2.1 可观测性与收敛性

4.2.2 可观测性分析方法概述

4.3 可观测性评估算法

4.3.1 理论基础

4.3.2 误差放大系数EAF

4.3.3 EAF的有效性和使用方法

4.3.4 各元素误差放大系数EAFE

4.3.5 EAFE的有效性检验

4.4 本章小结

第5章 XNAV轨道估计的最小实现

5.1 引言

5.2 标准GNSS构型下的最小导航方案

5.2.1 XNAV单独导航的最小方案

5.2.2 组合导航的最小方案

5.2.3 XNAV模式对可观测性和精度的影响

5.2.4 最小方案的重要性

5.2.5 高精度组合导航方案的设计准则

5.3 观测变化系数OVF

5.3.1 航天器群构型对导航效果的影响

5.3.2 轨道观测信息评价手段OVF

5.4 构型指标对各种导航方法效果的影响

5.4.1 仿真设定

5.4.2 构型指标的分析

5.4.3 绝对导航手段

5.4.4 相对导航手段

5.4.5 星间观测的重要性

5.5 单X射线探测器导航

5.6 本章小结

第6章 X射线脉冲星导航中钟差的可观测性

6.1 引言

6.2 研究的对象和数学工具

6.2.1 扩展状态方程

6.2.2 扩展测量方程

6.3 利用EAFE进行导航的可观测性分析

6.3.1 采用标准XNAV的钟差修订方案

6.3.2 增量式XNAV和相对式XNAV的钟差可观测性问题

6.4 数值分析

6.4.1 仿真设定

6.4.2 钟差估计的收敛性和估计精度

6.4.3 扩展状态方程对静态误差的抑制特性

6.5 本章小结

第7章 基于XNAV的GNSS导航构架设计

7.1 引言

7.2 GNSS星座构型介绍

7.2.1 Walker-δ星座构型

7.2.2 Galileo星座

7.3 导航精度提炼

7.3.1 导航系统的误差源

7.3.2 闭环滤波

7.3.3 迭代精度优化

7.4 整体导航构架设计

7.4.1 确定导航方案

7.4.2 滤波计算的主体

7.4.3 星座拆分

7.4.4 确定导航算法的结构

7.4.5 最终导航方案的构架

7.5 GNSS导航方案整体仿真

7.6 仿真结果精度的说明

7.7 本章小结

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