脉冲星信号的获取识别及其在编队相对导航中的应用研究

摘要

新世纪的太空资源争夺日趋激烈，世界各国开展了针对未来空间的应用研究，其间脉冲星导航作为传统导航技术的挑战者和有益补充，成为今后研究和探讨的焦点。采用脉冲星信号作为导航信息的来源，能够避免近地导航系统作用范围小的缺点，又完全独立，不受使用权限的限制，同时还能提供时间、姿态、位置等多方面的导航信息。对脉冲星的导航前景进行分析，同时对关键性技术进行攻关和突破，有利于在激烈的竞争中占据主导地位。本文结合“十一五”预研背景项目和国家高技术研究发展计划(863)项目，对脉冲星信号处理进行深入研究，重点解决导航信号的获取、识别问题以及基于脉冲星观测的姿态测量问题、航天器间相对距离测量问题，具体工作如下：
　　首先在分析课题的目的和意义，广泛地总结和分析现有导航系统的发展概况的基础上，通过与现有的导航系统进行对比，结合航天器编队飞行的特点，详细地阐述并分析了脉冲星信号获取、识别及其在空间应用等方面的研究现状。
　　其次针对脉冲星的信号特性讨论了脉冲星的基本分类，对现有的脉冲星辐射机制、信号特性以及谱特性进行分析；对脉冲星特性进行研究，为后续脉冲星信号的识别以及测量奠定理论基础。
　　针对脉冲星信号的获取技术，提出采用多谱段时频相干接收的方法，通过扩大探测器对脉冲星光子的频率响应范围，降低对单一时间相干累积的依赖，同时利用EMD分解等多种手段用于对脉冲星信号进行去噪声处理，采用近似熵作为EMD信号复原所需测量的后向叠加算法判断阈值，并且在此基础上，提出无阈值的塔式EMD分解的噪声处理方法。
　　其后针对脉冲星的信号特点，提出了以脉冲星的瞬时频率和瞬时幅度作为不同脉冲星辨识的特征，并采用能量中心频率以及奇异值特征优化降维处理方法对数据进行压缩，再利用BP神经网络算法等方法对脉冲星信号进行自适应识别。第三章的研究方法涉及非平稳信号处理、神经网络以及模式识别方法等。
　　针对基于X射线脉冲星的姿态测量问题，提出了一种基于X射线脉冲星平行光线多平面观测的姿态测量方法，该方法引入了平行光线观测的设计方法，通过测量不同平面内接收的X射线脉冲星光子能量，以及测量值和各平面之间的相对几何关系，计算出脉冲星矢量的幅值和空间角，从而实现了脉冲星矢量的测量。通过对多颗脉冲星的观测，可以获得多个脉冲星矢量，利用多个矢量能够完成姿态的测量。
　　最后研究利用脉冲星观测确定航天器编队间相对距离确定的方法，针对脉冲星信号的特性以及编队卫星系统的特点，采用相关处理的方法实现编队航天器系统中相对距离的估计，并对相对距离测量观测所需的脉冲星类型及其频谱特性进行分析，同时针对脉冲星信号的周期特性以及目前星间相对距离估计方法的局限性提出了基于信号子空间旋转实现编队航天器系统中相对距离估计的方法，利用多个脉冲星敏感器的接收数据估计星间相对距离，同时结合脉冲星信号的特征，分析估计的精度，并且利用了实际脉冲星的观测数据进行了数学仿真，仿真结果表明基于子空间旋转的星间相对距离估计能够有效的提高测量的精度。

目录

脉冲星信号的获取识别及其在编队相对导航中的应用研究

RESEARCH ON ACQUISITION ANDRECONGNITION OF PULSAR SIGNALS AND ITSAPPLICATION IN NAVIGATION FORFORMATION FLYING SPACECRAFTS

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 脉冲星信号获取技术研究现状和分析

1.2.2 脉冲星识别技术研究现状和分析

1.2.3 脉冲星导航及相关技术的发展

1.2.4 星间相对导航系统的发展

1.2.5 脉冲星导航技术面向航天器编队的研究

1.3 本文的主要研究内容

第2章脉冲星信号基本特征描述与模型建立

2.1 引言

2.2 脉冲星机理概述

2.3 脉冲星特性分析

2.3.1 脉冲星时域特征分析

2.3.2 脉冲星频谱特征分析

2.4 脉冲星信号接收

2.5噪声模型建立

2.5.1系统噪声影响源分析

2.5.2 脉冲星到达过程噪声模型分析

2.5.3 脉冲星循环平稳模型

2.6 本章小结

第3章脉冲星信号获取及预处理方法研究

3.1 引言

3.2 基于时频联合相干累积的脉冲星信号获取方法

3.2.1 多谱段接收原理

3.2.2 时域相干积累

3.2.3 多谱段相干积累

3.3 基于小波变换的脉冲星信号预处理

3.3.1基于小波变换的脉冲星去噪方法

3.3.2 仿真结果分析

3.4 基于Hilbert-Huang变换的脉冲星信号的预处理

3.4.1 经验模态分解

3.4.2 基于近似熵阈值的EMD信号提取

3.4.3 无阈值塔式经验模态分解滤波方法

3.5 本章小结

第4章 基于瞬时特征的脉冲星自适应识别方法研究

4.1 引言

4.2 脉冲星特征提取

4.2.1 一维频谱特征

4.2.2 高阶统计量与高阶谱特征

4.2.3 瞬时频率特征及瞬时幅度特征

4.3 脉冲星信号的瞬时特征优化

4.3.1 瞬时频率-幅度特征的优化

4.3.2 基于奇异值分解的二次优化

4.4 基于BP神经网络的特征分类

4.4.1 BP网络识别模型

4.4.2 BP网络识别分类器设计

4.5 数学仿真及分析

4.6 本章小结

第5章 基于X射线脉冲星多平面能量观测的姿态测量方法研究

5.1 引言

5.2 多平面能量观测原理

5.2.1 测量原理

5.2.2测量精度分析

5.3 多平面能量测量的优化

5.3.1 对称结构的算法优化

5.3.2 测量精度分析

5.4数学仿真及分析

5.5 多平面法在航天器相对姿态确定中的应用

5.6 本章小结

第6章基于脉冲星时差观测的编队飞行器间相对距离确定方法研究

6.1 引言

6.2编队航天器间距离测量模型

6.2.1编队航天器脉冲星测量交互机制

6.2.2距离测量数学模型

6.3 基于脉冲星相位相关的距离测量方法

6.4 基于子空间旋转不变性的距离测量方法

6.5 距离估计误差分析

6.5.1基于脉冲相关距离测量方法的误差分析

6.5.2基于子空间旋转不变性方法的距离误差分析

6.6 数学仿真及分析

6.6.1脉冲相关获得相对距离

6.6.2利用子空间旋转不变性获得相对距离

6.6.3对比分析

6.7本章小结

结 论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢

个人简历