基于X射线脉冲星的导航星座定向参数确定方法研究

摘要

对于全球导航卫星系统来说，导航卫星在轨运行均依赖于地面测控站，这不仅增加了地面系统工作负担和长期维持费用，而且易受人为干扰，不具有长期自主生存能力。论文以实现星座自主导航为目的，围绕星座定向参数确定领域中的关键技术问题，系统地研究了利用星座基线矢量的方向观测解决星座整体旋转的理论与方法，提出基于X射线脉冲星相对观测的星座定向参数确定方案与模型，建立基线优化与脉冲星选星优化模型，并搭建半实物仿真系统。全文主要研究成果如下：
　　一、系统研究了利用星座基线矢量方向观测解决星座整体旋转的理论、模型和算法。
　　针对星座中测距卫星所处轨道面的异同，研究基于星间测距的星座自主导航，从而引出星座整体旋转问题，并利用星座定向参数描述星座整体旋转。提出基于基线矢量方向观测的星座定向参数确定理论、模型及算法。
　　二、提出了基于X射线脉冲星相对观测确定星座定向参数的方案、模型与算法。
　　结合星座基线矢量方向观测解决星座整体旋转的思想，以 X射线脉冲星信号的相对观测为导航测量手段，提出了单基线双方向观测方案和单基线单方向观测方案。针对两种总体方案，在分析各种因素对脉冲星相对观测影响的基础上，建立了系统的测向观测数学模型。采用偏导数解析方法，分析利用脉冲星相对观测确定星座定向参数的可行性，采用PWCS可观性分析方法，从理论上证明上述两种方案的可观性。
　　采用UKF滤波算法完成星座定向参数确定，并利用后验Cramer-Rao下限分析了系统理论精度。基于观测方程模块化思想，提出基于联邦卡尔曼滤波的星座定向参数确定算法。采用数字仿真与理论分析的手段，分析了影响测向精度的主要因素。
　　三、研究了基于脉冲星的星座定向参数确定基线优化与脉冲星优选问题
　　针对已给定的混合星座构型，利用遗传算法的优化模型，以测向精度方差最小为系统适应度评价函数，以卫星编号作为优化参数，建立了基线矢量优化模型，获得测向精度最优的卫星编号和卫星状态。
　　当星座基线矢量确定的情况下，采用二次序列规划理论，将脉冲星在三个方向上的分量作为优化变量，以测向精度为优化目标函数，获得最佳观测方位，并寻找离最佳位置最近的脉冲星源。
　　四、搭建了X射线脉冲星导航半实物仿真系统中的光子时间和能谱测量单元
　　提出 X射线脉冲星导航半实物仿真系统整体方案。重点研究了半实物仿真系统中的导航探测模块，设计并实现了光子能量与到达时间测量。该系统可以同时精确测量光子能量分辨和光子到达探测器时间。利用该探测模块的能量分辨功能，可以消除与有用信号能量段不同的背景噪声光子，从而提高脉冲轮廓信噪比。

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第一章 绪论

1.1 论文研究背景与意义

1.2 研究现状及发展方向

1.3 论文的主要研究内容及结构安排

第二章 星座定向参数确定的基础理论

2.1 引言

2.2 时间坐标系统

2.3 卫星轨道动力学模型

2.4 基于星间测距的星座自主导航方法

2.5 基于矢量方向观测的星座旋转估计

2.6 X射线脉冲星导航原理

2.7 小结

第三章 基于X射线脉冲星相对观测的导航星座定向参数确定方案与可观性分析

3.1 引言

3.2 原理与方案设计

3.3 系统观测模型

3.4 系统可观性分析

3.5 小结

第四章 基于X射线脉冲星相对观测的导航星座定向参数确定算法研究

4.1 引言

4.2 基于单基线双方向观测的导航星座定向参数确定算法及分析

4.3 基于单基线单方向观测的导航星座定向参数确定算法及分析

4.4 基于X射线脉冲星相对观测的导航星座定向参数精度分析

4.5 小结

第五章 基于X射线脉冲星的导航星座定向参数确定方案优化

5.1 引言

5.2 基线矢量优化问题研究

5.3 选星策略研究

5.4 小结

第六章 基于X射线脉冲星的星座定向参数确定半实物仿真系统设计与试验

6.1 引言

6.2 总体方案设计

6.3 系统模块设计

6.4 光子能量与到达时间测量实现与试验

6.5 小结

第七章 结束语

7.1 论文主要研究成果

7.2 论文主要创新点

7.3 对未来研究工作的展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果