X射线脉冲星导航验证平台的设计与开发

摘要

X射线脉冲星具有稳定的自转周期、良好的空间分布、稳定的辐射以及相对固定的位置等特性，这些特性使其能够为深空、近地的航天器提供丰富的导航信息。X射线脉冲星导航（XPNAV）作为一种新型的自主导航方式，在外太空进行实际导航飞行试验面临着实现技术难度高和经济风险大等问题.为了促进X射线脉冲星导航的研究和发展，国内外陆续开展了针对X射线脉冲星导航地面验证系统的研究与开发。目前国内的导航验证系统主要集中在脉冲星导航信号仿真的设计与开发，在导航验证平台的设计方面还需要进一步的研究。
　　导航验证平台的目的是在实现管理导航数据的基础上，直观地显示导航场景，为导航算法的加载、实现提供灵活方便的数据接口，完成导航算法的实现及验证功能，最终实现导航算法评价。
　　针对X射线脉冲星导航研究的需求，本文开发了X射线脉冲星导航验证平台，实现了 X射线脉冲星导航过程中导航数据的管理、导航功能的验证、导航场景的显示、导航算法的运算及评估等过程。本文首先概述了X射线脉冲星导航的基本原理，分析了导航中数据处理的过程，论述了导航验证平台的功能，为导航验证平台的设计、实现提供了理论基础。其次，在详细分析导航验证平台功能需求的基础上，提出了展示层、业务逻辑层、数据访问层的三层构架设计方案，为导航验证平台功能的扩展和维护提供技术保障。再次，模拟航天器在地球轨道飞行的实际情境，并基于OpenGL三维模拟技术构建出地球轨道航天器飞行场景、太阳系行星运行动态场景以及 X射线脉冲星天球分布场景，将导航验证平台中航天器的位置信息呈现出来，直观的展示导航算法的性能；采用Socket、串口通信技术实现信号模拟系统的控制，接收和管理具有多物理特性的导航信号，保证导航数据的真实性和可靠性；通过矩阵引擎直接调用 matlab函数文件，保证导航算法可以准确无误的更换、加载以及运算，为导航算法的研究提供重要的技术支撑；采用多线程技术，保证导航算法、三维虚拟仿真等功能能够独立同步运行，合理地利用导航验证平台的系统资源。最后，详细展示了导航验证平台的实现过程，给出导航验证平台的测试结果，测试结果表明：开发完成的X射线脉冲星导航验证平台，能够实现导航数据的管理功能以及导航的验证功能，有效实现了利用脉冲星对航天器进行自主导航的模拟。

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第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.3论文主要工作及内容安排

第二章 X射线脉冲星导航验证平台的总体设计

2.1 X射线脉冲星导航的基本原理

2.2 X射线脉冲星导航验证平台的需求分析

2.3 X射线脉冲星导航验证平台的总体框架

2.4本章小结

第三章 导航虚拟场景的设计与实现

3.1虚拟场景技术简介

3.2地球轨道航天器飞行场景的设计与实现

3.3太阳系行星运行动态场景的设计与实现

3.4 X射线脉冲星天球分布场景的设计与实现

3.5本章小结

第四章 导航验证平台的功能实现及数据管理交互

4.1导航验证平台各层的封装与实现

4.2导航算法接口及轮廓处理算法的实现

4.3 X射线脉冲星导航验证平台的数据管理

4.4导航验证平台与信号模拟系统的信息交互

4.5 X射线脉冲星导航验证平台的并行处理

4.6本章小结

第五章 X射线脉冲星导航验证平台的测试

5.1导航验证平台的功能测试

5.2导航验证平台的整体功能测试

5.3导航验证平台的验证测试

5.4导航验证平台的评估

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2展望

参考文献

致谢

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