X射线脉冲星导航信号特性分析及具有多物理特性的仿真系统研究

摘要

X射线脉冲星导航是一种新型的天文自主导航方式，能够为近地、深空以及行星际航天器提供速度、位置和时间等测量信息。针对X射线脉冲星导航中尚未解决的关键技术问题，本文研究了X射线脉冲星信号特性、高精度脉冲到达时间估计方法、基于脉冲星信号的多普勒测速方法等问题，并发展了X射线脉冲星导航信号仿真技术，主要研究工作包括：
　　1.总结了X射线脉冲星导航中的定位与授时原理，分析了脉冲星导航中常用时间与坐标系统及其转换关系，详细地阐述了将光子到达时间转换至太阳系质心处的时间转换方程等问题。
　　2.针对现有文献缺乏对脉冲轮廓稳定性系统的研究，设计了局部和整体指标体系，分别从辐射流率、脉冲辐射比、脉冲宽度、峰值幅度比、峰值相位差、轮廓信噪比、几何因子、Pearson相关系数、幅度变化系数和功率谱熵等指标统计了Crab脉冲轮廓变化，引入了克拉美-罗理论，量化了脉冲轮廓变化对导航精度的影响，并利用Crab脉冲星的11年空间观测数据进行分析验证。结果表明：Crab脉冲轮廓不存在系统性变化，具有长期稳定性，其内禀稳定性导致的距离测量误差为34±25 m。
　　3.针对最优导航能级选取的问题，利用11年空间观测数据，以10 keV为间隔划分2?60 keV，分析了不同能级脉冲轮廓的特征，并从几何因子和信噪比的角度，研究了各能级对导航精度的影响。结果表明：对于Crab脉冲星而言，当积分时间为50 s时，使用2-10 keV、2-20 keV、2-30keV、2-40 keV、2-50 keV和2-60 keV导航能级时，后者相对于前者在脉冲TOA估计精度上分别提高了16.34％、1.79％、0.35％、0.13％和0.02％。
　　4.针对影响脉冲星导航精度的宇宙X射线背景，利用了高纬度不同空间点的观测数据，重点分析了宇宙X射线背景流率特性，建立了其统计模型，推导了平稳宇宙X射线对脉冲到达时间估计精度的影响。结果表明：不同宇宙空间的X射线背景具有平稳特性，对于2-10 keV和2-60 keV，宇宙X射线背景流率分别为49 cnts/s和215 cnts/s；当积分时间为50 s、?s?154cnts/s时，以上两种能级宇宙X射线背景引入的距离测量误差为2.97 km和3.9 km。
　　5.为了提高X射线脉冲TOA估计精度，研究了宇宙X射线背景和脉冲星信号的统计特征，分析了其历元折叠噪声，构造了一种加权非线性最小二乘（WNLS）估计方法，根据X射线光子信号的数学模型构造最优加权矩阵，并分析了方法理论精度。结果表明，提出的方法具有优越的渐近性能，当积分时间为1000 s时，假定背景光子流率为1.62×10-2cnts/cm2/s，信噪比SNR为5 dB时，WNLS方法在估计精度上和ML方法保持一致，但CPU计算时间仅为ML方法的0.007倍。
　　6.针对航天器速度测量的问题，研究了利用X射线脉冲星信号Doppler频移的测速方法，建立了广义相对论框架下的X射线脉冲信号的Doppler速度测量模型，提出了基于RANSAC的?2统计方法，以解决低信噪比下脉冲星信号频率估计问题，利用两组不同积分时间的RXTE卫星观测数据进行实验，并分析了数学模型和脉冲星自行不均匀性等对实验结果的影响。结果表明：相较于直接?2统计法，基于RANSAC的改进方法在频率搜索精度上提高了两个数量级；利用Crab脉冲星的光子计时数据估计得到的RXTE卫星速度误差约?110 m/s。
　　7.针对现有X射线脉冲星信号仿真系统中存在的脉冲轮廓精度差、自转周期不稳定和缺乏相对论效应仿真等问题，提出了一种基于可见光的半物理导航脉冲星信号仿真方法，设计了 X射线脉冲星导航信号仿真系统，并开展了一系列的数据实验。结果表明：提出的方法将脉冲星自转周期的稳定度从现有的10?4提高到10?9，观测轮廓与标准轮廓的相关系数达到了0.99以上。

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第一章 绪论

1.1 X射线脉冲星导航的研究背景与意义

1.2 X射线脉冲星导航的研究进展

1.3论文主要工作和章节安排

第二章 X射线脉冲星导航的基础理论

2.1 X射线脉冲星导航基本原理

2.2 XPNAV中的时间与坐标系统转换

2.3光子到达时间校正分析

2.4小结

第三章 X射线脉冲星物理特性分析及其对导航精度影响

3.1脉冲星自转特性及其对导航精度影响

3.2 X射线脉冲轮廓特性及其对导航精度影响

3.3 X射线能级特性及其对导航精度影响

3.4宇宙X射线背景特性及其对导航精度影响

3.5本章小结

第四章 基于信噪特征的高精度脉冲到达时间估计

4.1 X射线脉冲到达时间估计方法

4.2基于信噪特征的非线性加权最小二乘估计法

4.3 WNLS算法的估计误差

4.4仿真与实验

4.5本章小结

第五章 基于脉冲星信号多普勒频移的航天器速度估计

5.1基于脉冲信号的Doppler速度测量模型

5.2基于RANSAC的Doppler频移估计方法

5.3 RXTE卫星实测数据的实验分析

5.4误差分析

5.5本章小结

第六章 具有多物理特性的X射线脉冲星导航信号仿真方法

6.1 X射线脉冲星导航信号仿真系统组成

6.2仿真系统中关键技术研究

6.3光子到达时间仿真误差分析

6.4实验结果分析

6.5小结

第七章 结束语

7.1论文工作总结

7.2论文主要创新点

7.3未来工作展望

参考文献

致谢

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