X射线脉冲星自主导航定位的滤波方法研究

摘要

自主导航是航天器实现自主管理，提高其在轨生存能力的关键技术。X射线脉冲星导航是一种新型的航天器自主天文导航方法，能为航天器提供位置、速度、姿态和时间等丰富的导航信息，其中高精度的位置信息是保证航天任务顺利进行的主要因素。
　　将脉冲星的量测信息与轨道动力学方程相结合，通过具体的滤波算法可以实现对航天器的精确定位。由于脉冲辐射信号非常微弱，需对其进行长时间的累积处理才能获得高精度的量测信息，因此，脉冲星导航滤波周期较长，实时性差。脉冲星/多普勒组合导航方法能为航天器提供高精度、实时的定位信息，但是光谱畸变会使得多普勒速度出现较大偏差，导致滤波精度急剧下降，严重影响组合导航定位精度。此外，脉冲辐射的不稳定、脉冲星星表误差等影响着脉冲星量测噪声的统计特性，导致脉冲星导航定位系统的EKF滤波精度下降甚至发散。针对上述问题，本文从X射线脉冲星导航定位的基本原理出发，重点对导航滤波方法展开研究，以实现对航天器的精确定位。主要研究工作如下：
　　（1）为降低光谱畸变对多普勒测速影响，提高组合导航的定位精度，本文将残差检测机制引入组合导航滤波过程，提出了一种基于残差检测的多普勒/脉冲星组合导航滤波方法。通过对多普勒速度残差进行检测判断太阳光谱是否畸变，在光谱畸变时仅将脉冲星的观测数据作为导航观测量。反之，则将脉冲星与多普勒的量测数据作为导航观测量，由脉冲星观测量对多普勒测速误差进行修正，以获得更高的定位精度。
　　（2）为解决脉冲星量测噪声统计特性发生变化时，导航定位系统中EKF滤波精度下降甚至发散的问题，本文将经验模态分解与扩展卡尔曼滤波相结合，提出了一种基于经验模态分解的自适应扩展卡尔曼滤波算法（EMD_EKF）。通过对量测信息进行经验模态分解，分离出高频噪声并估计噪声方差，实时修正EKF中的相关参数从而实现对航天器的精确定位。
　　最后，利用STK软件获取航天器的标称轨道数据，在MATLAB仿真平台上对所提出的方法进行仿真验证并对其性能进行分析。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文的组织结构和主要研究内容

第2章 X射线脉冲星导航定位原理

2.1 脉冲星导航基础理论

2.2 X射线脉冲星自主导航定位算法

2.3 脉冲星导航定位系统的组成及工作流程

2.4 本章小结

第3章 基于残差检测的脉冲星/多普勒组合导航滤波方法

3.1 组合导航系统模型

3.2 脉冲星/多普勒组合导航

3.3 基于残差检测的导航滤波算法

3.4 仿真结果及分析

3.5 本章小结

第4章 基于EMD_EKF自适应滤波的脉冲星导航定位方法

4.1 脉冲星导航模型

4.2 自适应卡尔曼滤波算法

4.3 基于经验模态分解的自适应EKF算法

4.4 仿真结果及分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

附录 A攻读硕士学位期间发表论文目录

附录 B攻读学位期间参与的研究项目

致谢