基于X射线脉冲星导航的仿真系统研究

摘要

随着人类空间技术的发展，空间活动范围逐渐从地月系拓展到太阳系的其它行星甚至太阳系之外的空间，也就是通常所说的深空。目前实践验证可行的深空导航方式是基于美国深空网的地基导航，其作用受限于广阔的空间尺度而不能胜任未来深空探测实时导航的任务。基于X射线的脉冲星导航技术以其高度自主性、稳定性和较高的导航精度，成为目前公认的极具潜力的深空导航技术。
　　我国开展脉冲星导航研究以来，已对脉冲星导航的信号模拟、授时、定位和定姿等相关理论进行了研究，随着理论研究的逐渐成熟，构建相应的数学仿真系统验证相关理论方法和技术准确性及可靠性是十分有必要的，本文围绕脉冲星导航仿真系统的构建进行研究，主要研究内容有：
　　对 X射线脉冲星导航中涉及到的时空基准进行了介绍，这是相关数学模型建立的基础；详细地介绍 X射线脉冲星导航的授时、定位、定姿基本原理并给出了它们各自对应的数学模型；根据脉冲星光子到达时刻的概率模型，采用数学方法模拟生成脉冲星光子到达时刻序列；针对脉冲星导航系统中的关键部分 X射线探测器功能模型进行了介绍，包括周期和相位估计以及整周模糊度解算；在完成各功能模块建模后，搭建 X射线脉冲星仿真系统并分析各功能模块间耦合关系，完成功能化的仿真实验；最后对脉冲星导航半实物仿真系统进行探讨，主要对半实物仿真系统的搭建，以及半实物仿真中的关键部件 X射线发生器和探测器进行了探讨研究。
　　对脉冲星导航仿真系统耦合关系的研究，结果表明脉冲星各功能模块之间的耦合关系产生主要以航天器的速度为纽带，其数据结构上并没有直接耦合关系，因此耦合关系的研究集中在航天器速度对各模块的影响。对授时模块的仿真实验，验证了文中设计的锁相环能够稳定地对脉冲信号的相位和频率进行跟踪，能够用来校正航天器星载时钟的频率；对导航模块的仿真实验证明了EKF和UKF能够用于脉冲星导航，且误差与理论推导的误差在同一数量级，进而验证了数学模型的准确性；系统完整运行验证了数据结构的合理性和完整性为半实物仿真提供了理论支撑。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 X脉冲星导航及其仿真系统的发展

1.3 X射线脉冲星导航系统的关键技术

1.4本文的主要研究内容

第二章 脉冲星导航仿真系统主要模型

2.1 X射线脉冲星导航的时空基准

2.2导航授时仿真模块

2.3定位功能建模

2.4定姿功能建模

2.5本章小结

第三章 脉冲星信号及探测器建模

3.1脉冲星信号模型

3.2脉冲星光子到达时刻模拟算法

3.3脉冲星数据库的建立

3.4脉冲信号探测器建模

3.5本章小结

第四章 X射线脉冲星导航仿真系统

4.1仿真系统搭建

4.2耦合关系研究

4.3导航算法

4.4仿真条件设置

4.5本章小结

第五章 X射线脉冲星导航半实物仿真系统探讨

5.1半实物仿真系统设计

5.2 X射线发生器讨论

5.3 X射线探测器讨论

5.4本章小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果