基于X射线脉冲星的航天器自主导航方法研究

摘要

航天器自主导航定位系统可在不依赖于地面站的情况下，确定航天器位置。自主导航不仅有利于降低成本，而且适合于深空探测。近年来，基于X射线脉冲星的航天器自主定位已经成为航天技术领域研究热点。本论文针对脉冲星导航中的若干关键技术问题进行了研究。主要研究工作包括：
　　 在脉冲星信号预处理反面，提出了一种脉冲星信号消噪算法和一种脉冲星信号识别算法。提出了一种基于经验模态分解的脉冲星信号消噪算法。利用经验模态分解将脉冲星信号分解为一组固有模态函数，并采用自适应阈值处理固有模态函数。提出了一种基于小波域双谱的脉冲星信号识别算法。首先，对信号进行小波分解再计算各级小波系数的双谱。然后，分别采用主分量分析和选择双谱法提取低频系数和高频系数的双谱特征。最后，利用最小距离分类器进行分类。实验结果证明了这两种脉冲星信号预处理方法的可行性和有效性。
　　 提出了三种单脉冲星/天文组合导航方法。鉴于我国的科技能力有限，现阶段可实施“单脉冲星导航计划”。单脉冲星导航系统不具有完全可观性。而天文导航系统虽是完全可观的，但定位精度较低。因这两种方法具有互补性，提出了三种单脉冲星/天文组合导航方法。基于联邦无味卡尔曼滤波器(Unscented Kalman Filter，UKF)的导航方法可有效融合单脉冲星导航子系统和天文导航子系统的导航定位信息。提出了一种基于多模自适应估计的组合导航方法。设计了一种基于多模自适应估计的UKF以解决非线性导航系统和脉冲到达时间噪声不确定等问题。基于UKF/H∞滤波器的组合导航适应于处理钟差。该方法利用历元间差分法消除了钟差，但会使脉冲星导航量测噪声成为有色噪声。设计了由UKF和H∞滤波器相结合的两级滤波器。天文导航和脉冲星导航子系统分别采用UKF和H∞滤波器。实验结果表明，这三种导航方法均能处理各自面对的问题，并取得较高的定位精度。
　　 为了减少脉冲星方向误差对导航系统性能的影响，提出了一种新的脉冲星导航技术。通过分析脉冲星方向误差引起的系统偏差，可以看出系统偏差是慢时变的。基于这一分析结果，将系统偏差作为增广状态，设计了一种增广状态UKF来处理系统偏差并估计航天器的位置。在脉冲星方向误差存在的情况下，基于增广状态UKF的航天器导航方法比基于UKF的方法具有更高定位精度。
　　 提出了一种多普勒/脉冲星组合导航方法。多普勒导航利用相对于太阳的多普勒径向速度作为量测信息，该方法不具备完全可观测性。使用三颗星以上的脉冲星导航系统具有完全可观测性，但是滤波周期较长。因这两种方法具有互补性，利用联邦UKF来融合脉冲星导航与多普勒导航提供的信息。与脉冲星导航相比，该组合导航具有更好的性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

2 脉冲星信号处理

3 单脉冲星/天文组合导航

4 存在脉冲星方向误差的脉冲星导航

5 基于联邦无味卡尔曼滤波器的多普勒/脉冲星组合导航

6 总结与展望

致 谢

参考文献

附录