基于X射线脉冲星的编队卫星自主导航方法研究

摘要

编队卫星具有性能好、成本低、灵活度高、系统容错性强的优点，被广泛地用于近地勘测、科学实验、深空探测等领域。自主导航技术是实现编队卫星协同自主工作的关键技术之一。X射线脉冲星导航具有全信息、高精度及自主性等特点，它不仅可以作为近地空间（如：卫星导航系统）的辅助，还可以为深空探测器提供绝对的时间、空间基准，实现近地空间、深空及星际飞行任务全程高精度无缝导航服务，是解决航天器自主导航的有效途径。目前，国内外已广泛开展了基于 X射线脉冲星的编队卫星自主导航技术的研究，但脉冲星信号相位测量精度、编队卫星初轨定轨精度、实时定轨精度等都不能完全满足航空航天的需要。本文主要围绕 X射线脉冲星自主导航中的相位测量、卫星初轨确定、编队卫星实时状态估计等方法展开，并将 X射线脉冲星导航方法（XNAV）应用到火星探测器自主导航中。本文主要研究内容概括如下：
　　（1）针对 X射线脉冲星信号累积轮廓位相测量误差大的问题，提出了一种直接位相测量的频域加权方法。首先，直接对 X射线探测器捕获和采样形成的光子序列进行频域变换得到幅度谱，分别提取幅度谱各个成分的相位，再用幅度对相位变量加权平均，得到位相测量结果；进一步采取分段加权的策略，解决序列过长引起的内存溢出问题；最后，仿真例表明：在观测时长和采样间隔相同的条件下，与平均法相比，加权法的测相精度提高了10％以上；与非线性最小均方误差(NLS)法和最大似然(ML)法相比，加权法的比相精度多数情况下提升了1倍以上，计算速度处于ML法和 NLS法之间；分段情况下性能会随着分段区间长度的增加有所改善。该方法在一定程度上解决了脉冲星导航中轮廓累积后测相精度变差的问题。
　　（2）针对航天器需要安装多个探测器及定轨精度低的问题，提出一种使用单探测器分时观测3颗X射线脉冲星，并融合相位增量信息来确定初始轨道的方法。首先，从X射线脉冲星导航基本原理出发，得到脉冲星信号到达时间差(TDOA)计时观测量；考虑到航天器同时安装多个探测器时体积大、功耗高的问题，提出了在航天器上安装一个探测器，分时轮流观测3颗脉冲星，获得相位增量观测量。然后，使用加权最小二乘法（WLS）将 TDOA和相位增量信息融合，从而提高定轨精度。仿真实验表明，与单独TDOA定轨相比，融合定轨方法位置精度提高了27%以上，速度精度提高了18%以上，达到了提升初轨状态估计精度的目的。
　　（3）针对编队卫星导航实时定轨精度低的问题，提出一种利用基线矢量夹角、相位增量和计时观测等多信息的无迹卡尔曼滤波器(UKF)融合的 X射线脉冲星导航方法。首先介绍了双星和三星编队卫星基线矢量的几何模型；然后结合卫星的轨道动力学模型，根据已建立的数学模型，设计了相应的UKF滤波器模型；最后，对相同轨道、不同轨道，单星实时定轨、双星编队、三星编队等多种组合方式的导航性能进行仿真验证。仿真结果表明：在双星编队中，增强 XNAV方法位置估计精度提高了12%以上，速度估计精度提高了9%以上；在三星编队中，增强XNAV方法位置估计精度提高了21%以上，速度估计精度提高了12%以上。基于脉冲星计时观测、基线矢量夹角信息及相位增量等多信息融合方法，有效增加了可用信息量，降低卫星状态估计误差，收敛速度和导航精度都有一定的提高，性能优于单独使用计时观测方法和矢量观测的方法。
　　（4）针对火星探测系统自主性差、导航精度低的问题，提出一种利用火星卫星的视场角及方向矢量信息增强 XNAV新方法。首先，通过处理从光学相机获得的火星卫星图像得到视场角和方向矢量两个观测量的测量模型；然后建立滤波模型，并对火星卫星的可见性进行了分析验证；最后，对两个不同的轨道状态估计性能进行了仿真。为了提高探测器的状态估计精度以及减少系统噪音对导航精度的影响，本文利用自适应差分滤波器（ADDF）来对多信息进行融合。在相同的火星卫星可见性条件下，与扩展卡尔曼滤波器(EKF)、中心差分卡尔曼滤波器(DDF)和UKF相比，ADDF滤波器收敛速度快、对噪声的适应性强、状态估计性能最好，其位置和速度精度均提高了40%以上。为了验证增强XNAV方法的有效性，分别对两颗火星卫星都不可见、只有一颗可见、两颗都可见3种情况进行了数值仿真，结果表明：在火卫一火卫二同时可见的情况下，增强XNAV估计精度最高；与传统XNAV方法相比，基于视场角、方向矢量及计时观测信息相融合的增强XNAV方法在状态估计精度上提升了20%以上。

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第一章 绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状及发展方向

1.3研究内容及结构安排

第二章 X射线脉冲星光子序列相位测量方法

2.1引言

2.2 X射线脉冲星导航原理

2.3频域加权比相

2.4仿真实验与分析

2.5结论

第三章 基于X射线脉冲星信号相位增量的初轨确定方法

3.1引言

3.2 X射线脉冲星导航定位方法

3.3加权最小二乘初轨确定法

3.4仿真结果与分析

3.5结论

第四章 基线辅助编队卫星X射线脉冲星导航方法

4.1引言

4.2编队卫星基线矢量模型

4.3基于UKF的增强XNAV编队卫星导航方法

4.4仿真结果与分析

4.5结论

第五章 观测矢量辅助XNAV及其ADDF滤波方法

5.1引言

5.2火卫矢量和X射线脉冲星组合定位模型

5.3火星卫星可见性分析

5.4 ADDF滤波器模型

5.5仿真结果与分析

5.6结论

第六章 总结

6.1主要研究成果

6.2未来研究展望

参考文献

致谢

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