X射线脉冲星导航系统在月球摄影测量中的应用

初步探讨X射线脉冲星导航定位系统在月球摄影测量应用中的主要技术问题,包括绕月摄影测量卫星脉冲星导航数据获取、脉冲星导航数据处理和脉冲旱导航数据与摄影测量数据联合平差等问题。     

脉冲星导航试验卫星空间计时数据的初步分析

脉冲星导航试验卫星(X-ray pulsar-based navigation-1, XPNAV-1)是我国首颗致力于探索X射线脉冲星导航技术的空间试验平台，已在轨运行七年多，获得大批观测数据，本文收集了该卫星三年多的空间观测数据，开展了一些有益的技术探索.首先处理分析了卫星对Crab脉冲星观测数据，得到Crab脉冲星的每轨、每天和总脉冲轮廓，结果表明，在时间维度上脉冲轮廓是稳定的，与国内外观测结果一致性较好；其次得到Crab脉冲星不同能段脉冲轮廓，分析了脉冲轮廓随能量变化特征；在能量维度上，得到了Crab脉冲星在不同脉冲相位区间的能谱，发现能谱与相位区间的脉冲强度成正比，表明我国自主研制的聚焦型X射线探测器具备良好的技术状态，也实现了卫星精确地“看得见”脉冲星的试验目标.最后利用XPNAV-1卫星的三天观测数据，实现基于最小二乘算法的脉冲星导航试验解算，得到卫星轨道确定精度约为56.93 km，分析发现XPNAV-1星对Crab脉冲星观测误差和初始轨道误差对当前导航解算精度影响较大.     

脉冲星导航的相对论定位法(Ⅱ):4维时空的观测方程

现行X射线脉冲星导航方法中存在两种固有误差,源于推算太阳系质心在当前时刻接收脉冲的相位以及将航天器固有时转换成太阳系质心坐标时。针对这一情况,文章根据相对论定位系统的基本思想和后牛顿引力理论,导出了X射线脉冲星导航的4维观测方程。相对于现行的3维观测方程,新方法只需根据航天器测量脉冲轮廓的相位即可完成航天器定位,不必考虑太阳系质心处的光子到达时间因而不必推算该处观测者在当前时刻的脉冲轮廓相位;也不必进行航天器固有时与质心坐标时的转换因而不必预先估计航天器的运动状态。新方法简单易行,能够有效地减小测量误差,建议在X射线脉冲星导航中取代现行观测方程。     

X射线脉冲星单星动力学定轨

基于单脉冲星的动力学定轨,在X射线脉冲星导航技术尚不成熟时具有较强的实用价值.将X射线脉冲星观测方程与航天器动力学模型相结合,系统研究了利用X射线脉冲星观测量进行单星动力学定轨的方法原理.利用仿真数据量化分析了各项因素对定轨精度的影响,指出X射线脉冲星方向单位向量越靠近航天器轨道面单星定轨位置精度越差.因此提出了单探测器轮流观测多颗脉冲星的准多星定轨方法,从而使定轨精度由km量级提高到了20 m.     

X射线脉冲星导航定位原理及应用

本文介绍了脉冲星的基本概念，阐述了X射线脉冲星导航定位原理及主要特点，分析了系统组成的基本要素，指出了满足未来航天任务从近地轨道、深空至星际空间飞行的持续、高精度自主导航应用需求。     

X射线脉冲星导航可见性分析

概述了X射线脉冲星可见性分析需要考虑的影响因素,给出了脉冲星高度角以及第三天体遮挡的计算公式.根据导航需要,按照脉冲星优选准则,选取50颗X射线脉冲星进行了仿真计算.分析了可见脉冲星个数随位置、时间、高度的变化规律,单颗脉冲星在1 d时间内可见性的变化情况,以及日月对脉冲星的遮挡情况.     

利用X射线脉冲星进行同步定位/授时的可观性分析

将星载时钟钟差增广为状态向量,根据非线性系统的可观性秩条件判据,从理论上证明了利用X射线脉冲星进行同步定位/授时是可观的,为X射线脉冲星自主导航的工程应用提供了理论依据。     

晕轨道X射线脉冲星自主导航和轨道维持研究

提出一种利用X射线脉冲星的晕轨道自主导航方法。以高精度星历轨道动力学模型构建晕轨道状态方程,并利用二级微分修正方法获取惯性系下晕轨道的标称轨道。基于微分修正原理,利用X射线脉冲星的导航结果和小推力推进器,对晕轨道探测器进行轨道维持和控制,并以地月系L2点晕轨道为例进行了仿真实验。结果表明,该方法能够有效完成地月系L2点晕轨道探测器的自主导航和轨道维持任务。     

脉冲星计时数据的处理理论与方法研究EI北大核心CSCD

脉冲星是高速旋转且自转频率极其稳定的中子星,它们的位置坐标可精确测定,犹如恒星星表一样构成一种高精度惯性参考系;它们辐射的X射线脉冲信号具有高稳定周期和高稳态轮廓特性,部分毫秒脉冲星自转频率长期稳定度优于地面原子钟,因此能够为飞行器深空航行提供良好的时间和空间参考基准,提升航天器大范围长航时的自主导航能力和在轨自主运行能力,提高我国控制空间的本领。     

脉冲星TOA测量误差及几何精度分析

利用信躁比估算法对脉冲星数据库中适宜导航的脉冲星进行了脉冲到达时间测量误差计算。分析了测量误差随观测时间及探测器面积的变化情况。在此基础上,指出了在DOP值分析中脉冲星导航与GPS的不同点;按照脉冲到达时间TOA测量误差较小原则给出了10组脉冲星优选组合。分析了DOP值随观测时间及观测脉冲星数的变化情况。     

基于X射线脉冲星的航天器动力学定轨

系统研究了利用X射线脉冲星观测量进行动力学定轨的全过程,给出了观测数据仿真的基本流程,并利用仿真数据对各项因素对定轨精度的影响进行了量化分析。     

X射线脉冲星信号辐射的数值模拟方法

概述了X射线脉冲星信号辐射模拟技术的发展概况,分析了当前基于非齐次泊松过程(non-homoge-neous poisson process,NHPP)的X射线信号数值模拟方法,在此基础上,采取了一种齐次泊松过程与经典概率相结合的数值模拟方法,与NHPP的模拟方法相比,该方法能够避免对流量密度函数的积分及对积分函数的求...     

1PN近似下脉冲星导航的观测方程及精度分析

完整推导1PN度规形式下脉冲到达时间方程与脉冲星导航的观测方程。分析导航观测中的相对论影响;给出观测方程的级数展开形式,在此基础上分析脉冲星历表参数对观测时间的影响;讨论行星星历误差对观测时间的影响;推导星体扁率引起的测量时延表达式,分析不同星体扁率引起的时延量级。     

修正扩维无迹卡尔曼滤波算法研究

在脉冲星导航中，角位置误差是主要的误差源之一。因此本文基于X射线脉冲星导航，提出了一种修正扩维无迹卡尔曼滤波（MASUKF）算法进行角位置误差的改进。MASUKF算法在原扩维无迹卡尔曼滤波（ASUKF）算法的基础上加入了Roamer延迟的高阶项，并将其作为误差项，将修改后的误差项代入状态方程与量测方程中，即可进行仿真分析。在仿真中，首先将ASUKF算法与UKF算法进行对比仿真模拟试验，结果显示ASUKF算法能显著地提高约45 m的定位精度，在X、Y、Z 3方向的速度误差估计精度约提高了20%；然后比较ASUKF与MASUKF算法，结果显示MASUKF算法较ASUKF算法的速度误差与位置误差的估计精度均提高2%以上。     

一种利用三阶互小波累积量的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算法

针对运动航天器收到的脉冲星信号受Doppler效应影响,难以准确测量脉冲到达时间的问题,提出了基于三阶小波互累积量的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算法。结果表明,当信号受到Doppler效应影响时,该算法测量精度优于现有算法,适用于脉冲星导航系统中脉冲到达时间的测量。     

X射线脉冲星航天器姿态确定方法研究

本文阐述了利用X射线脉冲星实现航天器姿态确定的成像仪定姿、探测器扫描定姿和垂直双矢量相对定位姿态的3种方法,介绍了其基本原理;分析了3类方法与现有姿态确定方法相比存在的优势;并利用仿真数据分析了垂直双矢量相对定位姿态确定方法;研究了时延测定误差、可观测脉冲星数、脉冲星历表误差等对姿态确定精度的影响,得出了有益的结论.     

航天器利用脉冲星进行自主导航定位和授时初探

介绍了脉冲星导航定位和授时服务的原理及方法，阐述了利用脉冲星进行航天器自主导航定位及授时的特点。认为脉冲星用于航天器导航授时服务，有可能进一步提高其时钟信息的长期稳定性，应用前景值得期待。     

一种新的XPNAV系统解整周模糊度搜索算法

提出了一种新的XPNAV系统解相位模糊度搜索算法,依据检核脉冲星的特征周期,将正确的模糊向量限定在多个子空间内,使用线性搜索寻找子空间种子向量,采用基于满二叉树的穷举搜索算法遍历子空间中向量,并建立向量间的关系。理论分析和仿真实验表明,新的解相位模糊度算法能显著降低系统的运算量,计算过程中的矩阵均是由脉冲星特征属性决定的常数矩阵,便于工程实现,此外二叉树搜索方法还能用于并行计算。