脉冲星导航

摘要： 考虑深空探测中广义相对论的影响,以适应纳秒量级的计时精度要求,本文针对航天器绕飞轨道,建立四维黎曼时空下带有时间转换项的脉冲星导航系统轨道动力学模型和四维观测模型,并基于无迹卡尔曼滤波方法设计脉冲星导航算法,针对模型中的时延项对导航精度的影响进行分析。分析结果表明:在时间转换模型中引力时延、航天器偏轨时延以及绕飞行星曲率时延等因素远大于航天器曲率时延对导航精度的影响,在量测模型中太阳系的引力远大于周年视差效应和脉冲星自行对导航精度的影响。

摘要： 考虑深空探测中广义相对论的影响,以适应纳秒量级的计时精度要求,本文针对航天器绕飞轨道,建立四维黎曼时空下带有时间转换项的脉冲星导航系统轨道动力学模型和四维观测模型,并基于无迹卡尔曼滤波方法设计脉冲星导航算法,针对模型中的时延项对导航精度的影响进行分析.分析结果表明:在时间转换模型中引力时延、航天器偏轨时延以及绕飞行星曲率时延等因素远大于航天器曲率时延对导航精度的影响,在量测模型中太阳系的引力远大于周年视差效应和脉冲星自行对导航精度的影响.

摘要： 1999年,搭载USA试验设备的美国空军“先进研究与全球观测卫星”(ARGOS)被发射进入高度为840km、倾角为98°的太阳同步轨道,开展了基于掩星法的X射线高层大气结构及导航试验。由于该试验中X射线导航采用了传统天文导航的掩星观测方法。

摘要： 脉冲星导航是一种极具潜力的深空自主导航技术,通常采用脉冲到达时间(time of arrival,TOA)作为量测信息.但脉冲星星历误差和星载原子钟误差等系统误差对导航性能有显著影响.为了解决上述问题,提出了一种基于TOA和时间差分TOA (TDTOA)的增广状态脉冲星组合导航误差抑制方法,通过将每个脉冲星的星历误差和时钟误差增加到状态向量,并利用TOA和TDTOA量测值对其进行估计和校正.仿真结果表明,该方法提高了脉冲星星历误差和时钟误差的可观测性,有效地消除了这些系统误差的影响,导航精度相比传统脉冲星导航提高了29％.

摘要： 针对月基脉冲星观测可见性问题,系统梳理了脉冲星可见性影响因素,提出了脉冲星可见性分析方法,在复杂月球运动模型的基础上,建立了一套简化的月基观测站坐标系转换模型.通过理论计算和仿真分析,论证了月基观测站位置、太阳规避角、地球遮挡、脉冲星方位对脉冲星可见性的影响,分析了月球典型区域脉冲星观测可见性特点.结果表明:月基观测站所在纬度对可见时间影响较大,高纬度地区有利于脉冲星的持续观测;太阳规避角与规避时长呈正比;月球正面区域会受到地球规避影响;脉冲星赤纬会影响太阳规避时长,赤纬越大,太阳规避时长越小.

摘要： X射线计时与导航技术的空间站在轨验证试验(SEXTANT),是美国国家航空和航天局(NASA)在国际空间站(ISS)上开展的脉冲星导航试验项目,首次利用毫秒脉冲星实现近地空间航天器优于10km的脉冲星导航试验。首先介绍了X射线脉冲星导航技术及SEXTANT项目发展过程,论述了SEXTANT项目的研究意义、系统结构和各部分技术细节;针对国际上首次在轨成功演示脉冲星导航空间试验,详细地论述了其实施操作过程及导航解算策略,有利于我们掌握其技术细节;最后简要地对比国内外脉冲星导航发展情况,提出了利用SEXTANT公开发布的观测数据检验我国脉冲星导航算法实用性的建议。

摘要： 通过脉冲星辐射信号特征研究和空间观测需求分析,提出了一种面向导航应用的X射线探测器测试方法.首先推导了X射线光子欠探测概率公式,分析了不同星源流量及不同探测器时间分辨率下对光子探测能力的影响.通过数值模拟方法建立了脉冲到达时间与脉冲轮廓相似度的关系.处理了我国硬X射线调制望远镜的Crab脉冲星观测数据,研究了不同能段脉冲轮廓差异.其次,系统地研究了面向导航应用的X射线探测器测试及处理方法,并利用地面测试系统完成了一款自主研发的聚焦型X射线探测器测试工作.通过数据分析得到,聚焦型探测器本底噪声为3.63×10^-5ph/(cm^2·s^-1),工作能区为0.2~22.7keV,时间分辨率为4.17μs,空间响应约为5′,能量非线性为0.52%,能量分辨率优于200eV@5.7keV,典型探测效率为39.18%@4.51keV.聚焦型X射线探测器在弱脉冲信号及强背景噪声下,均能还原出Crab脉冲星脉冲轮廓,在2 400s内能够探测到辐射流量弱于背景噪声10倍的脉冲信号.结果表明,该款聚焦型探测器性能优秀,能够满足导航脉冲星(如PSR B1509)的空间观测需求,也验证了测试方法的可行性.

摘要： 以脉冲星导航技术为背景, 讨论了空间计量理论中时间测量的关键问题.首先介绍了脉冲星导航的基本原理, 和不同坐标系之间的时间尺度转换, 比较了不同坐标系时间轴度规对脉冲星的脉冲轮廓测量的影响, 说明只有太阳系质心坐标时能够正确测量脉冲轮廓.进而介绍了空间计量提出的两种时间统一的模式:地球卫星导航模式和脉冲星导航模式.以脉冲星导航为例, 讨论了基于SI秒绝对定义和太阳系质心坐标时的广域时间统一的方法, 给出用航天器原时坐标轴伸缩法修正多普勒效应的公式.最后提出在大尺度广域时空中构建新的守时系统—太阳系质心守时系统的设计思路.%To discuss the main question of time measurement for the theory of space metrology is on the background of Pulsars navigation. First we introduce the basic of Pulsars navigation and transformation of time scales between different coordination systems. To compare the impact of measuring Pulsar's pulse profile by metric of time axis in difference coordinate system, it proves only the Barycentric Celestial Reference System (BCRS) can obtain right result of pulse profile.And then to introduce two modes for unifying time-system in space metrology: Global Navigation Satellite System (GNSS) mode and Pulsars Navigation mode. For instance of Pulsars navigation, to discuss an unifying time-system method base on the absolute definition of SI second and the coordinate time on BCRS, and give a formula to deal with Doppler effect by means of expend-shrunk axis of proper time on spacecraft. Finally, a new idea of time keeping system for large area, the BCRS time keeping system is designed.

摘要： X射线脉冲星导航中脉冲到达时间(TOA)是脉冲星导航系统中基本的观测量,其测量精度取决于探测器的性能指标.本文研究了准直型和聚焦型两类X射线探测器,对两类探测器进行了比较,并研制了准直型微通道板探测器工程样机,为X射线脉冲星导航系统提供技术支撑.

摘要： X射线脉冲星导航为航天器长时间高精度自主导航提供了一种可行途径,在开展X射线脉冲星导航空间试验之前,需要对X射线脉冲星导航相关关键技术进行验证,然而脉冲星辐射的X射线难以穿过地球稠密大气层,因而需要研究X射线脉冲星导航地面试验验证方法.其中,基于FPGA的脉冲星导航信号控制方法,可以实现地面试验系统半物理闭环验证,并提供高稳定任意脉冲轮廓信号模拟输出.本文首先在深入调研现场可编程门阵列(FPGA)研究现状及发展趋势的基础上,比较分析了赛灵思Xilinx、阿尔特拉Altera、莱迪思Lattice和美高森美Micro Semi四大厂商的产品特点,阐述了采用直接数字频率合成(DDS)进行信号控制的优势,然后重点研究了基于FPGA的脉冲星导航信号控制方法,研制脉冲星导航信号控制装置,模拟产生了脉冲星轮廓电压曲线,最后通过实验对本文提出的信号控制方法进行了测试,实现了X射线脉冲星轮廓模拟.

摘要： 光子序列周期估计是脉冲星导航信号处理的关键技术之一,研究适用于在轨信号处理环节的周期估计算法有助于正确还原脉冲轮廓,提高脉冲相位延迟估计的准确性.本文首先分析了光子序列周期估计不准确对脉冲轮廓折叠的影响,揭示了脉冲轮廓折叠失真在轨光子序列周期估计的重要意义;本文利用这一特性,结合快速折叠算法(FFA)实现了脉冲星导航在轨光子序列周期估计;并针对在轨信号处理环节的特性,通过采样率与分组模式等参数的选择,确定光子序列周期估计搜索范围,并通过与标准轮廓模板的互相关峰最值确定周期;最后通过实验对本文提出的算法进行分析,证明该算法能够利用较少的观测信息在较低信噪比环境下实现光子序列周期的准确估计.

摘要： 脉冲星信号具有极其稳定的周期性,是自然界的天然时钟.通过探测脉冲星辐射的X射线信号进行脉冲到达时间(TOA)测量,可实现航天器长时间高精度自主导航.在地面试验验证过程中,由于X射线在大气中衰减,且对人体有辐射危害,因此采用激光信号模拟X射线,对探测器工作原理、导航算法和计时模型进行物理仿真.本文提出了一种在轨动态跟踪指向脉冲星的模拟演示环境,以及实现轨道跟踪指向的两项关键技术:跟踪指向控制算法和脉冲信号调制及光子探测方法.该演示系统由二维控制转台、光学系统、轨道模拟装置以及综合控制单元四部分组成,可较好地模拟航天器上搭载的X射线探测器在轨工作模式,在地面验证了星载探测器对脉冲星的跟踪指向控制及信号探测原理.实验结果表明:指向控制精度达到0.01°,时间同步精度30ns,噪声抑制水平20mV,光子到达时间测量精度1us.实验过程中采用的跟踪指向控制算法、时间同步算法、光子模拟生成算法以及光子到达时间信号处理算法等,也适用于X射线脉冲星导航,为未来航天器在轨应用打下了坚实基础.

摘要： X射线脉冲星导航地面试验系统是X射线脉冲星导航敏感器研制以及X射线脉冲星导航技术工程应用所必需的关键试验系统.由于工作在X射线波段且观测量为脉冲到达时间,现有的光学导航地面试验系统技术无法满足高时间精度要求的X射线脉冲星导航地面实验要求.本文针对当前斩波器模拟方案以及栅控X射线管模拟方案信号周期稳定度的不足,基于高重复频率的超短脉冲激光器调制原理设计了一种高周期稳定度的X射线脉冲星信号源的地面模拟系统,并以此为基础设计了一套X射线脉冲星地面试验系统方案.该方案可精确的模拟脉冲星的X射线特征,可满足开展X射线导航敏感器标定试验、功能性能试验,X射线脉冲星导航系统半物理仿真试验的需求.

摘要： 为了实现人造天体的全自主导航,同时获取位置、姿态、时间等导航信息,采用X射线脉冲星导航被认为是最有前途的导航方式,需要解决的关键技术之一是X射线的探测.文章给出了X射线单光子CCD的结构、工艺实现流程及研制样品的测试结果,能量分辨达到了355eV@5.9keV,时间分辨率达到了180μs.

摘要： 本文给出了在观测时刻只观测一颗脉冲星的脉冲星导航方案,其中要观测的脉冲星的选取是基于可观度的分析的基础上,使得观测后导航系统的可观度提高最大.这种方案的导航精度通过数值仿真得以验证.

摘要： 脉冲星导航系统在解析周期模糊度时主要基于遍历搜索思想,对模糊空间内每一向量进行试探,计算量大,复杂度高。由于无法脱离遍历搜索的串行模式,现有的各种方法不能从根本上降低运算复杂度。考虑到解析算法的核心是对不同的模糊度组合执行相同的计算过程和判别操作,本文提出用并行方法来实现,以提高模糊度解析效率以及定位算法的实时性。鉴于可编程的GPU 已发展成为一种高度并行化、多线程、多核的处理器,本文拟采用GPU(Graphic Processing Unit)和CUDA(ComputeUnified Device Architecture)作为硬件和软件架构,对几种解析算法进行并行化设计和实现,并脉冲星导航的地面模拟系统中进行了仿真验证。结果表明,并行策略可以大大提高模糊度计算的实时性,且各解析算法在运算时间上差异很小,因此,相对于基于专用硬件的并行模式,在串行模式下对搜索算法的优化似乎显得不太重要,本文的思路也为脉冲星导航中的其它算法设计提供了一种有意义参考。

摘要： X射线脉冲星导航是实现航天器长时间高精度自主导航的可行途径,要求用于脉冲星导航的探测器具有高能量分辨率和高时间分辨率等特性.为满足脉冲星导航的要求,研究了基于石墨烯电场效应的X射线探测方法.在计算石墨烯能带结构的基础上,讨论了石墨烯的电场效应.设计了探测器的基本结构,并论述了其工作原理.利用蒙特卡罗方法,模拟了不同能量X射线和探测器硅基底的相互作用过程,并分析了不同作用过程的发生几率;利用有限元方法,分析了X射线在探测器内所产生电荷的输运过程;最后理论分析得到了探测器的时间分辨率和能量分辨率等特征参数.研究表明:基于石墨烯电场效应的X射线探测器具有较高的能量分辨率和时间分辨率,是一种潜力巨大的X射线探测方式,可满足未来脉冲星导航的工程应用.

摘要： 现代天文观测证明暗能量的存在,其相应的宇宙模型构建为De Sitter时空.本文首次将De Sitter时空理论引入X射线脉冲星导航,从而构建了基于De Sitter框架的大尺度时空基准理论;同时利用后牛顿近似方法给出了,太阳系质心系和地球质心系的De Sitter时空度规表示形式.随后,本文从张量变换理论出发给出了这两个参考系的度规变换和时空基底变换关系.最后,本文讨论了如何在地面实验系统中进行大尺度时空基准模拟的可行性方法.

摘要： 基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航系统包括：X射线探测器、星载原子时钟组、太阳系行星参数数据库、X射线脉冲星模型及特征参数数据库、星载计算机、捷联惯性导航系统SINS和自主导航算法模块库；自主导航方法利用脉冲星辐射的X射线光子作为外部信息输入，提取脉冲到达时间TOA和角位置信息，通过自主导航滤波器进行数据处理，实时获取导航卫星位置、速度、时间和姿态等导航参数，自主生成导航电文和控制指令，实现导航星座自主运行。本发明具有能够为导航卫星提供长时间高精度自主导航的优点，提高导航卫星自主导航信息处理的容错能力。本发明还适用于近地轨道、深空和行星际飞行航天器及无稠密大气天体着陆器及其表面巡游器的高精度自主导航。

摘要： 基于X射线脉冲星的导航卫星自主导航系统包括：X射线探测器、星载原子时钟组、太阳系行星参数数据库、X射线脉冲星模型及特征参数数据库、星载计算机、捷联惯性导航系统SINS和自主导航算法模块库；自主导航方法利用脉冲星辐射的X射线光子作为外部信息输入，提取脉冲到达时间TOA和角位置信息，通过自主导航滤波器进行数据处理，实时获取导航卫星位置、速度、时间和姿态等导航参数，自主生成导航电文和控制指令，实现导航星座自主运行。本发明具有能够为导航卫星提供长时间高精度自主导航的优点，提高导航卫星自主导航信息处理的容错能力。本发明还适用于近地轨道、深空和行星际飞行航天器及无稠密大气天体着陆器及其表面巡游器的高精度自主导航。

摘要： 本发明属于空间飞行器脉冲星自主导航技术领域，提供一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法，其以分布式布局的卫星系统为载体，包括高精度时间同步计时系统，脉冲星探测载荷单元，星光矢量敏感载荷单元，地球敏感载荷单元，星间链路载荷单元。本发明还提出脉冲观测轮廓和星光角距新的融合方法，该方法是一种脉冲星和星光角距的深度融合方法，能够有效利用具有星间链路的各种类型的卫星，搭载具有本发明需要功能的载荷，实现脉冲相位估计。本发明通过引入同一时刻的多个星光角距测量值，能够实现轮廓幅值按bin滤波，实现高精度脉冲相位融合估计。

摘要： 本发明提出了一种X射线脉冲星导航的脉冲星信号处理误差修正方法，通过对脉冲星信号处理过程进行边界最优误差修正和局部最优误差修正，得到初始处理结果；进一步地，判断所述初始处理结果中是否产生信号处理野值，若没有信号处理野值，则将初始处理结果作为信号处理结果输出，若产生信号处理野值，则进行信号处理野值修正，将修正后的初始处理结果作为信号处理结果输出。本发明的优点是，降低了导航过程中的信号处理误差，提高了X射线脉冲星导航性能。

摘要： 一种X射线脉冲星导航使用的选星方法，其步骤为：(1)去除会发生闪变的脉冲星；(2)根据航天器的飞行任务轨道预报脉冲星的可用性，排除不能使用的脉冲星；(3)计算星表数据库中可用X射线脉冲星的TOA估计精度；(4)结合航天器的飞行任务轨道和季节，计算星表数据库中可用脉冲星的星表位置误差对脉冲信号测量精度的影响；(5)计算TOA估计精度和星表位置误差对脉冲星信号测量的综合影响；(6)根据X射线脉冲星导航定位误差矩阵，计算最优导航X射线脉冲星星组合使得定位误差矩阵最小，最优组合的X射线脉冲星可用作导航使用。本发明具有原理简单、可操作性强、易推广和使用、能提高导航稳定性和可靠性等优点。

摘要： 本发明涉及一种基于动态脉冲累积窗口的X射线脉冲星导航方法，属于航天器制导、导航与控制领域，有别于目前X射线脉冲星导航方法中对X射线脉冲星光子信号进行固定窗口累积的方式，本发明采用动态设置的脉冲累积窗口，随着X射线光子脉冲采样的更新，可根据信号累积信噪比和观测更新频率的需要，与滤波递推计算的过程同步地调整累积窗口位置，同时更新脉冲轮廓累积数据，提高导航观测更新频率。本发明可以有效解决传统X射线脉冲星光子信号固定窗口累积方式中无法有效抑制随机误差、轨道外推误差影响过大、脉冲累积窗口设置不灵活等问题，提高导航精度和稳定性。

摘要： 本发明提出了一种X射线脉冲星导航的脉冲星信号处理误差修正方法，通过对脉冲星信号处理过程进行边界最优误差修正和局部最优误差修正，得到初始处理结果；进一步地，判断所述初始处理结果中是否产生信号处理野值，若没有信号处理野值，则将初始处理结果作为信号处理结果输出，若产生信号处理野值，则进行信号处理野值修正，将修正后的初始处理结果作为信号处理结果输出。本发明的优点是，降低了导航过程中的信号处理误差，提高了X射线脉冲星导航性能。

摘要： 一种X射线脉冲星导航使用的选星方法，其步骤为：(1)去除会发生闪变的脉冲星；(2)根据航天器的飞行任务轨道预报脉冲星的可用性，排除不能使用的脉冲星；(3)计算星表数据库中可用X射线脉冲星的TOA估计精度；(4)结合航天器的飞行任务轨道和季节，计算星表数据库中可用脉冲星的星表位置误差对脉冲信号测量精度的影响；(5)计算TOA估计精度和星表位置误差对脉冲星信号测量的综合影响；(6)根据X射线脉冲星导航定位误差矩阵，计算最优导航X射线脉冲星星组合使得定位误差矩阵最小，最优组合的X射线脉冲星可用作导航使用。本发明具有原理简单、可操作性强、易推广和使用、能提高导航稳定性和可靠性等优点。

摘要： 本发明公开了一种基于脉冲到达时间差的差分X射线脉冲星导航方法，主要解决了现有技术不能减少脉冲星星历误差的问题。其实现方案是：(1)初始化参数；(2)计算两个观测时间内脉冲星观测脉冲轮廓和标准脉冲轮廓之间的脉冲到达时间差；(3)建立两个观测时间内的观测方程；(4)建立基于脉冲到达时间差的差分X射线脉冲星导航观测方程；(5)更新航天器的位置和速度。本发明通过相邻观测时间的脉冲到达时间差的差分作为导航观测量，可以有效减少脉冲星星历误差，进而提高导航精度。

摘要： 本实用新型属于航天器领域，尤其是一种惯性导航和脉冲星导航组合的航天器自主导航装置，包括惯性导航机构和脉冲星导航机构，所述惯性导航机构包括传感器信号处理器、加速度计组合、陀螺仪组合、原子钟、时序控制器，所述脉冲星导航机构包括时序控制器、原子钟、X射线探测器、微弱信号处理器，所述原子钟、X射线探测器、时序控制器均与微弱信号处理器信号连接，所述加速度计组合、陀螺仪组合、原子钟、时序控制器、微弱信号处理器均与传感器信号处理器信号连接，所述传感器信号处理器与航天器姿态控制器信号连接。本实用新型综合了惯性导航和脉冲星导航两种方法，提高了惯性导航的长期导航精度降低问题，实现了完全自主导航。