法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2016-12-28
授权
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2013-12-04
实质审查的生效 IPC(主分类):G01C21/24 申请日:20130726
实质审查的生效
2013-11-13
公开
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技术领域
本发明涉及导航技术领域,具体涉及基于X射线脉冲星的航天器 姿态和位置测量系统及其方法,所述方法用于为近地轨道航天器进行 高精度自主导航以及姿态测量提供服务。
背景技术
X射线脉冲星导航(XPNAV)是通过测量脉冲星辐射的X射线光 子到达时间和脉冲星影像角位置来更新航天器位置、速度、时间和姿 态等导航参数,根据光子到达时间计算得到导航过程中的基本信息— —脉冲到达时间(TOA),利用这一信息可以计算航天器的位置、速度, 并对星上的时钟进行校正。根据光子到达星载X射线探测器的位置, 则可以确定脉冲星的方位信息,从而完成对航天器姿态的测量。
1974年,美国喷气推进实验室的Dr.Downs首次提出基于射电脉 冲星的行星际飞行航天器自主轨道确定方法,这是一种建立在脉冲星 无线电信号基础上的在轨航天器导航方法。随着天文观测能力的增强 以及对X射线脉冲星特性研究的深入,1981年美国通信系统研究所 的T.J.Chester和S.A.Butman提出了使用X射线波段的脉冲星为航 天器导航的构想。1982年,第一颗毫秒级脉冲星被确认,人们发现 利用某些毫秒脉冲星的频率稳定性,可以将其用作天然高精度的频率 标准源。1999年,美国ARGOS卫星发射升空,初步验证了脉冲星自 主导航的可能性,为其发展与应用奠定了重要的基础。2004年,美 国航空航天局和海军天文台等多家单位着手拟定和启动脉冲星导航 的研究计划,同时X射线脉冲星导航已纳入国防部长期发展战略规划 纲要,并逐年增加项目研究经费,持续开展脉冲星导航的理论研究方 法、关键技术攻关和原理样机研制等方面的研究工作。近年来,我国 在X射线脉冲星自主导航方面的研究工作发展很快,从最初跟踪国外 的科研项目,到现在能够自主创新、提出越来越多的观点和方法。2006 年1月,中国科学院高能物理研究所和清华大学天体物理研究中心共 同设计研制了硬X射线调制望远镜HXMT,目标在于实现宽波段X射 线(1~250keV)巡天,探索利用X射线脉冲星实现航天器自主导航 的技术和原理。
但是,脉冲星信号极其微弱,而从目前的脉冲星导航原理来看, 在太阳系质心坐标系中,X射线脉冲星导航的基本观测量是脉冲星计 时模型的预报时间与卫星观测时间之差,换算为距离之后进行定位, 这种方法受诸多因素的影响,定位精度不高。并且传统的脉冲星定姿 方案中,需要使用两个星载X射线探测器扫描同一颗星或者使用一个 星载X射线探测器观测两个脉冲星。基于这一原理,在实际中搭载两 个星载X射线探测器的方法成本太高,必须考虑单星载X射线探测器 定姿。
发明内容
针对上述问题,本发明的主要目的在于克服上述已有技术的不 足,提出一种基于X射线脉冲星的航天器姿态和位置测量系统及其方 法,从而实现单星载X射线探测器观测单颗脉冲星完成航天器自主姿 态和位置的联合测量,以克服传统利用脉冲星对三轴稳定航天器定姿 中单星载X射线探测器必须分时观测两颗脉冲星而引入的附加噪声 和频繁调整星载X射线探测器指向等问题。本发明还能在姿态测量同 时,完成航天器指向脉冲星辐射矢量与地平观测矢量夹角的测量,从 而进一步进行脉冲星定位,此定位方法弥补了计时观测在航天器定位 中精度差的缺点。因此,本发明所提出的联合测量方法能充分利用脉 冲星的导航能力,降低成本,实现航天器自主高精度姿态测量和轨道 确定。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
基于X射线脉冲星的航天器姿态和位置测量系统,其特征在于, 所述系统包括:星载X射线探测器、准直器、星载原子钟、X射线脉 冲星特征参数数据库、X射线脉冲星辨识算法库、太阳系行星参数数 据库、星载计算机、地平敏感仪,导航算法库、星载万向支架等;其 中
所述星载计算机根据当前所记录的航天器姿态和所述X射线脉 冲星特征参数数据库,控制所述星载万向支架支撑星载X射线探测器 指向目标脉冲星;
所述星载X射线探测器配合所述准直器,测量到达所述星载X射 线探测器的X射线脉冲星信号的光子流量强度,从而计算得出所述星 载X射线探测器指向与脉冲星辐射矢量的偏差,将该偏差反馈到所述 星载计算机用于进行航天器姿态的控制增强,不断调整所述星载X射 线探测器指向控制,以获得精确地脉冲星辐射方向矢量;
所述地平敏感仪敏感地平得到地平线张角,从而计算地心方向矢 量,将该地心方向矢量和所述脉冲星辐射方向矢量共同送至所述星载 计算机中的脉冲星定姿算法,同时将所述地平线张角和所述脉冲星辐 射方向矢量共同送至脉冲星定位算法;
所述星载计算机调用所述导航算法库中的联合定位算法对定姿 算法和定位算法进行结合,输出高精度的自主导航参数信息,包括姿 态和位置。
需要说明的是,所述星载X射线探测器与所述准直器配合用于接 收脉冲星辐射的X射线,所述准直器安装于所述星载X射线探测器的 前部;所述准直器由若干空心圆柱体互相紧密排列组合而成。
一种使用基于X射线脉冲星的航天器姿态和位置联合测量系统 测量的方法,所述方法包括以下步骤:
(1)探测目标脉冲星:所述星载计算机根据当前所记录的航天 器姿态和所述X射线脉冲星特征参数数据库,控制所述星载万向支架 支撑星载X射线探测器指向目标脉冲星;
(2)调整所述星载X射线探测器方向:所述星载X射线探测器 配合所述准直器,测量X射线脉冲星信号的光子流量强度,并计算得 出所述星载X射线探测器指向与脉冲星辐射矢量的偏差;
(3)校正目标脉冲星位置:将步骤(2)获得的偏差反馈到所述 星载计算机用于进行航天器姿态的控制增强,从而不断调整所述星载 X射线探测器指向控制,以获得精确地脉冲星辐射方向矢量;
(4)确定航天器姿态与位置:所述地平敏感仪敏感地平得到地 平线张角,从而计算地心方向矢量,将该地心方向矢量和所述脉冲星 辐射方向矢量共同送至所述星载计算机中的脉冲星定姿算法,同时将 所述地平线张角和所述脉冲星辐射方向矢量共同送至脉冲星定位算 法;所述星载计算机调用所述导航算法库中的联合定位算法对定姿算 法和定位算法进行结合,输出高精度的自主导航参数信息,包括姿态 和位置。
需要说明的是,所述步骤(2)中的偏差获取方法如下:首先定 义两个坐标系,分别是B-系和C-系,B-系的坐标原点为航天器的质 心,其X轴指向航天器的前进方向,Z轴垂直于偏航平面,Y轴根据 右手定则确定,即(XB,YB,ZB);C-系(XC,YC,ZC)中,YC平行于支架的 水平轴,ZC指向星载X射线探测器的中心轴,XC垂直于YC和ZC的平 面;明显地,所述星载X射线探测器指向控制矢量ZC与脉冲星辐射矢 量的夹角θ是所要求的偏差,其中,C-系与B-系的坐标原点相同。
需要说明的是,所述星载X射线探测器指向控制的实现方法如 下:
根据三角关系,圆筒形准直器的有效探测面积为:
使得:
其中,θ为星载X射线探测器指向与脉冲星辐射矢量的夹角,H 为准直器的高,R为准直器横截圆面的半径。
需要说明的是,所述脉冲星辐射方向矢量的搜索方法如下:所述 星载计算机控制所述星载万向支架的方向,同时控制所述星载X射线 探测器指向,所述星载X射线探测器记录敏感到的脉冲星辐射光子流 量,通过改变其的指向ZC来减小θ,当光子流量强度最大时,即可认 为所述星载X射线探测器指向与脉冲星辐射方向矢量平行;所述星载 万向支架的水平轴XC只能在(XC,YC)平面内以ZB为轴进行旋转,α用 来表示旋转角度;由于ZC与XC是垂直的,那么ZC以XC为轴进行旋转 时,两个轴在线性独立方向的旋转角度都是θ,同时要求脉冲星光子 流量强度作为目标函数是线性递减的;其中包括:
(1)根据姿态信息的先验知识,所述星载X射线探测器根据参 考星历对目标脉冲星在B-系中的位置进行粗估计,所述星载X射线 探测器旋转中心轴使其指向脉冲星以获取脉冲星信号。同时所述星载 计算机使用FFT或是贝叶斯定理通过捕获到的光子序列Ph(θ)来检测 目标信号,检测成功后进行步骤(2);
(2)在B-系中,XC被表示为矢量(cosα,sinα,0)Τ,如果XC以ZB为 轴旋转了Δα,则新的矢量可以表示为(cos(α+Δα),sin(α+Δα),0)Τ;设β 为ZC以XC为轴旋转的角度,那么
设为ZC的单位向量,则ZC绕XC旋转角度β可以表示为
(2a)设置初始点x(0)=(α0,β0)以及两个线性独立方向α1,β1,允许 误差ε≥0且k=1;
(2b)设置x(k,0)=x(k-1)。从x(k,0)沿着αk方向使用线性搜索方法:
结果为x(k,1),同样通过沿着βk方向搜索可以得到xk点;
(2c)如果||ph(θ)-phmax||≤ε,则进行步骤(3),其中phmax是所述 星载X射线探测器记录的平均最大流量强度;否则,设置x0=xk,返 回步骤(2a)。
(3)所述星载X射线探测器持续观测目标脉冲星,星载计算机 计算得到平均流量强度;如果||ph(θ)-phmax||>ε,进行步骤(2)与(2a), 并再一次调整指向。
需要说明的是,所述航天器确定姿态实现方法如下:将获得的地 心方向矢量和脉冲星辐射方向矢量,在惯性坐标系中,利用欧拉角建 立姿态变换矩阵,即:
需要说明的是,所述航天器确定位置实现方法如下:所述星载计 算机接收所述星载X射线探测器输出的脉冲星辐射方向矢量和所述 地平敏感仪输出的地平线张角和地心方向矢量,建立两个关系式A和 B;其中关系式A为地平线张角与卫星位置矢量的函数,即 关系式B为地心方向矢量与脉冲星方向矢量之间的夹 角以及卫星位置矢量的函数,即同时,利用脉冲 星计时观测通过累计轮廓与标准相位轮廓比相而得到相差,从而计算 距离信息;将该距离信息与前述的关系式A和B一起送入导航滤波算 法库,完成定位。
需要说明的是,所述导航滤波算法实现方法为:设地平敏感仪观 测到的地平线张角为α,卫星地心方向矢量与脉冲星辐射方向矢量的 夹角为β,建立观测方程:
其中ns包括泰勒展开的高阶项和噪声,nh包括泰勒展开的高阶项 和地心矢量观测噪声,E[ns(t)]=0,E[nh(t)]=0, 同时脉冲星计时观测建立的观测方程为:
综合(1)、(2)和(3)式建立组合观测方程
其中,H为观测矩阵,η(t)为零均值高斯观测噪声且 η(t)=[ns(t),nh(t),ωN(t)]Τ,
一种利用基于X射线脉冲星的航天器姿态和位置联合测量的方 法,适用于地球外的其它近天体轨道航天器。
本发明有益效果在于:实现单星载X射线探测器观测单颗脉冲星 完成航天器自主姿态和位置的联合测量,以克服传统利用脉冲星对三 轴稳定航天器定姿中单星载X射线探测器必须分时观测两颗脉冲星 而引入的附加噪声和频繁调整星载X射线探测器指向等问题。本发明 还能在姿态测量同时,完成航天器指向脉冲星辐射矢量与地平观测矢 量夹角的测量,从而进一步进行脉冲星定位,此定位方法弥补了计时 观测在航天器定位中精度差的缺点。
附图说明
图1为本发明的利用X射线脉冲星的航天器姿态和位置的联合测 量的几何方法系统结构框图;
图2为本发明在地球质心参考坐标系中基于计时观测和仰角观测 的导航算法原理图;
图3为本发明的脉冲星辐射矢量搜索方法所建立坐标系的示意 图;
图4为本发明的准直器结构示意图和有效使用面积与脉冲星辐射 方向矢量和准直器指向夹角之间的关系;
图5为星载X射线探测器有效使用面积计算方法示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的描述。
如图1所示,本发明为基于X射线脉冲星的航天器姿态和位置联 合测量系统,包括星载X射线探测器4、准直器3、星载原子钟、X 射线脉冲星特征参数数据库6、X射线脉冲星辨识算法库7、太阳系 行星参数数据库、红外(或紫外)地平敏感仪,导航算法库、卫星姿 态和位置控制平台等;脉冲星辐射出的X射线光子流1通过准直器3 的选通处理,当准直器3的指向与脉冲星辐射方向一致或在选通角范 围之内时,X射线光子流进入星载X射线探测器4,否则脉冲星辐射 的X射线光子流无法进入星载X射线探测器4进行处理。星载X射线 探测器4将接收到的X射线光子流分别送入脉冲星信号辨识模块8和 记录光子到达模块9。脉冲星信号辨识模块8利用X射线脉冲星特征 参数库6和X射线脉冲星辨识算法库7完成对所接收到的脉冲星信号 的辨识,由于X射线脉冲星信号具有稳定的脉冲辐射周期和唯一可辨 识的特征轮廓,因此具有非常好的可辨识性和可检验性。统计脉冲星 信号辨识模块8输出的光子信号的流量强度,当光子流量强度最大时 认为准直器3与X射线脉冲星辐射方向矢量平行,即准直器3此时所 指方向为脉冲星在天球坐标系中的辐射矢量;同时,地平敏感仪敏感 地平,得到地平线张角11和航天器相对于地心方向的位置矢量10, 将该地心方向矢量10与脉冲星辐射方向矢量12共同送入姿态矩阵确 定模块13,在惯性坐标系中,利用欧拉角建立姿态变换矩阵,用于 进行航天器姿态确定;星载X射线探测器4指向控制模块14不断改 变星载X射线探测器4在天球坐标系中的指向,使单位时间内到达星 载X射线探测器4的X射线信号光子流量最大;本发明在完成定姿要 求的同时,可以完成航天器的定位功能。基于计时观测的导航算法库 15综合前述的地平线张角11、地心方向矢量、脉冲星辐射方向矢量 和光子到达时间,建立观测方程,结合航天器轨道动力学完成近地轨 道卫星的高精度导航;航天器姿态信息和高精度的导航信息送至卫星 姿态、位置控制平台。
如图3所示,所述的星载X射线探测器4指向与脉冲星辐射方向矢 量的偏差的获取方法为:首先定义两个坐标系,B-系和C-系。B- 系的坐标原点为航天器的质心,其X轴指向航天器的前进方向,Z轴垂 直于偏航平面,Y轴根据右手定则确定,即(XB,YB,ZB)。C-系(XC,YC,ZC) 中,YC平行于支架的水平轴,ZC指向星载X射线探测器4的中心轴,XC垂直于YC和ZC的平面。显然,星载X射线探测器4指向控制矢量Zx与 脉冲星辐射矢量的夹角θ就是所要求的偏差。C-系与B-系的坐标 原点相同。
如图5所示,所述的星载X射线探测器4指向控制的实现方法为: 根据三角关系,圆筒形准直器3的有效探测面积为
使得:
其中,θ为星载X射线探测器4指向与脉冲星辐射矢量的夹角, H为准直器的高,R为准直器横截圆面的半径。
如图3所示,所述的脉冲星辐射方向矢量的搜索方法为:计算机 控制星载万向支架的方向,同时控制星载X射线探测器4指向,星载 X射线探测器4记录敏感到的脉冲星辐射光子流量,通过改变星载X 射线探测器4的指向ZC来减小θ,当光子流量强度最大时,即可认为 星载X射线探测器4指向与脉冲星辐射方向矢量平行。支架的水平轴 XC只能在(XC,YC)平面内以ZB为轴进行旋转,α用来表示旋转角度。 由于ZC与XC是垂直的,那么ZC以XC为轴进行旋转时,两个轴在线性 独立方向的旋转角度都是θ,同时要求脉冲星光子流量强度作为目标 函数是线性递减的。具体的搜索方法为:
1、根据姿态信息的先验知识,星载X射线探测器4根据参考星 历对目标脉冲星在B-系中的位置进行粗估计,星载X射线探测器旋 转中心轴使其指向脉冲星以获取脉冲星信号。同时星载计算机使用 FFT或是贝叶斯定理通过捕获到的光子序列Ph(θ)来检测目标信号。检 测成功那么进行下一步骤;
2、在B-系中,XC被表示为矢量(cosα,sinα,0)Τ。如果XC以ZB为轴 旋转了Δα,则新的矢量可以表示为(cos(α+Δα),sin(α+Δα),0)Τ。设β为 ZC以XC为轴旋转的角度,那么:
设为ZC的单位向量,则ZC绕XC旋转角度β可以表示为具 体的搜索方法表示如下:
(2a)设置初始点x(0)=(α0,β0)以及两个线性独立方向α1,β1,允许 误差ε≥0且k=1;
(2b)设置x(k,0)=x(k-1)。从x(k,0)沿着αk方向使用线性搜索方法
结果为x(k,1)。同样通过沿着βk方向搜索可以得到xk点;
(2c)如果||ph(θ)-phmax||≤ε,则进行步骤3,其中phmax是星载X 射线探测器记录的平均最大流量强度。否则,设置x0=xk,返回步骤 (2a);
3、星载X射线探测器持续观测目标脉冲星,计算机计算得到平 均流量强度。如果||ph(θ)-phmax||>ε,进行步骤(2)与(2a),并再一 次调整指向。
如图4所示,以准直器3的通孔截面为圆形时为例,给出了一个 准直器3单元的结构示意图,实际使用的准直器3是由多个这样的单 元规则排列而成。其中,和分别为准直器3轴心指向方向矢量和 脉冲星辐射方向矢量,θ为脉冲星辐射的X射线与准直器3轴心方向 的夹角,H为准直器3的高度,R为准直器3截面圆的半径。只有当 准直器3的轴心方向与脉冲星辐射方向一致时,全部的脉冲星信号能 够无遮挡的被星载X射线探测器4接收,此时星载X射线探测器4接 收到的光子流强度最大。当准直器轴心方向与脉冲星辐射方向有一个 夹角为θ,则部分脉冲星信号能无遮挡的被星载X射线探测器4接收, 此时星载X射线探测器4接收到的光子流量强度就是关于θ的函数。 因此,当θ=0时,对应的星载X射线探测器4的指向就是脉冲星辐射 方向矢量。
如图1所示,姿态矩阵确定13是利用脉冲星辐射方向矢量和地 心方向矢量,在惯性坐标系内,以欧拉角表示的姿态变换矩阵,即
如图2所示,为本发明的基于地球质心参考坐标系中的脉冲星、 航天器、太阳质心、地球和地平线张角之间的几何关系以及基于计时 观测和仰角观测的导航算法原理图。地平线张角可以通过红外或紫外 地平敏感仪测量得到,并且所观测的地心方向矢量和脉冲星矢量处于 同一个平面内,如图2所示,为航天器相对于地心方向矢量,它与 脉冲星辐射方向矢量的夹角为β,地平敏感仪敏感到的地平线张角 为α,敏感仪的地平观测旋转α2角度可以得到地心方向矢量,地球 半径为Re,则可以得到式(5)和式(6):
其中是星载X射线探测器对脉冲星的辐射矢量观测得到的。
如图2所示,图1中的导航算法库15的实现方法是建立在计时 观测和仰角观测基础之上的。基于仰角观测的导航方法,其观测角为:
对其进行一阶泰勒展开,
其中ns包括泰勒展开的高阶项和噪声,,E[ns(t)]=0, 同样对(6)式做一阶泰勒展开,
其中,nh包括泰勒展开的高阶项和地心矢量观测噪声, E[nh(t)]=0,
如图2所示,基于计时观测的脉冲星导航,在原子钟足够稳定的 前提下,至少需要观测3颗脉冲星信号。为了实现单颗脉冲星导航, 本发明使用脉冲星计时观测和仰角观测结合的方式,建立观测方程。 计时观测的TOA观测方程为:
其中ωN(t)为第N颗脉冲星的TOA量测噪声。综合(8)式、(9) 式、(10)式可建立观测方程为:
其中,H为观测矩阵,η(t)为零均值高斯观测噪声且:
η(t)=[ns(t),nh(t),ωN(t)]Τ,
本发明以地球卫星为例对所发明的系统和方法进行了阐述,而从 理论上讲,本发明的利用X射线脉冲星的航天器姿态和位置的联合测 量的几何方法完全适用于出地球外的其它近天体轨道航天器,仅需要 将时间和坐标系统转换到相应的目标惯性系下即可。本专业领域人员 在不背离本发明权利要求范围和主旨的前提下可以实现多种显而易 见的改进,因此上述内容只是本发明借以阐述的实例,本发明的权利 要求范围并不限于以上论述。
本说明未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现 有技术。
机译: 航天器姿态的基于位置的无陀螺控制
机译: 通过使用X射线成像装置来对X射线成像检查区域进行成像的X射线成像计划方法。用于治疗心脏病的人类患者心脏,涉及基于姿态参数确定对象的照射区域
机译: 用于确定飞行器,尤其是航天器的位置和姿态的装置和方法