基于X射线脉冲星的航天器自主导航算法分析

脉冲星自转非常稳定,可以用作时间标准,许多脉冲星的空间位置、自行、距离、自转周期及其导数等天体测量参数和天体物理参数都能被精确测定.由于脉冲星能够同时提供时间信号和空间位置坐标,安装在航天器上的脉冲星导航系统能够实现航天器的自主导航.首先根据航天器轨道动力学方程预测航天器的位置,再通过航天器上观测的脉冲到达时间和预报的脉冲到达时间之差,应用Kalman滤波计算航天器位置估计的误差,从而对航天器的位置进行修正.最后,分析初始误差、脉冲到达时间测量精度、脉冲星个数对导航精度的影响.     

用脉冲星钟作航天器时间标准

在介绍参考坐标系和时间标准的基础上,讨论了用脉冲星为航天器导航的时间标准问题。利用X射线脉冲星实现航天器自主导航,星载钟的任何误差都会直接影响航天器位置测量。脉冲星钟具有较高的长期频率稳定度,适合用作各类航天器的时间标准。重点讨论了时间标准误差对航天器定位的影响;给出了用脉冲星钟作航天器时间标准的物理实现方法。     

几何因素对脉冲星自转参数的影响

脉冲星自转参数是脉冲星最重要的参数之一,能反映脉冲星本身的物理性质.根据计时观测所得的自转参数除了包含脉冲星本身固有的部分,还受到几何因素的影响,例如地球自转参数、岁差章动模型、行星历表误差、脉冲星相对于太阳系质心(solar system barycenter,SSB)的速度和加速度.通过分析脉冲星计时观测模型,从而推导出这些因素与脉冲星自转参数的关系,进一步估计了这些因素对自转参数影响的量级大小.在现有的观测精度下,地球自转参数和岁差章动模型的误差对计时观测的影响可忽略,可以认为脉冲星自转参数不受其影响.行星历表误差对自转参数的影响远小于自转参数本身,同样可以忽略.脉冲星相对于太阳系质心的视向速度影响到脉冲星周期,该影响比脉冲星本身周期约小4个量级.值得注意的是,脉冲星横向速度和脉冲星相对于太阳系质心的视向加速度对周期变率的影响不可忽略,特别是对于周期变率较小的毫秒脉冲星来说,这两个因素的影响可能是脉冲星视周期变率中的主要成分.     

Galileo系统和区域增强导航系统的定位误差比较

采用最小二乘协方差方法分别对Galileo系统的定位误差和中国区域导航增强系统的定位误差的计算进行定义,并通过matlab编程仿真比较得出:区域增强导航系统的定位误差只有Galileo系统定位误差的三分之一。表明,如果能建立区域增强导航系统将在较大程度上提高中国区域的导航能力。     

一种北斗二代MEO/IGSO卫星B1频点I支路导航信号的捕获算法及其软件实现

根据北斗二代导航系统扩频信号结构及其性质,研究和仿真了B1频点I支路导航信号的捕获算法,设计了滑动相关器来实现相关,并使用匹配滤波法剥离导航电文上调制的Neumann-Hoffman码。最后对捕获结果进行了误差分析。该算法对接收信号的载波多普勒频移和初始码相位进行粗估计,为导航数据的解调、用户接收机的定位创造了必要条件。     

多径效应对接收机环路影响的仿真研究

为了研究和减小卫星导航接收机中的多径误差的影响,从理论上对多径效应引起的码相位和载波相位误差进行了分析,完成了Matlab下相应的仿真,为进一步消除多径误差奠定了基础.     

脉冲星在空间飞行器定位中的应用

利用脉冲星钟模型能高精度地预报脉冲星脉冲到达太阳系质心的时间。基于脉冲星时、空参考架可实现各类空间飞行器的自主导航。讨论了脉冲星钟的模型和脉冲星导航系统的框架结构,描述了脉冲星导航的基本原理和算法。指出脉冲星导航系统对脉冲星脉冲到达探测器时刻的测量精度,是决定空间飞行器位置解算精度的关键因素。脉冲星导航观测采用的原子钟如果足够稳定,则空间飞行器位置的解算方法可以简化。在脉冲星导航系统计时观测精度达到或优于几十微秒量级时,脉冲星视差、相对论效应的影响是不可忽略的。对脉冲星导航系统开发设计中的关键技术和进一步研究的主要问题进行了初步分析和讨论。     

卫星轨道确定模型误差的深度加权核估计方法

卫星动力学模型误差是客观存在的事实,动力学模型误差传递到轨道确定算法中构成部分形式未知的模型误差,并且与测量系统自身的系统误差和随机误差耦合在一起形成定轨模型误差,严重影响轨道确定精度.详细推导了存在动力学模型误差的轨道改进方程,对模型中能准确描述的部分建立了参数化模型,对不能准确描述的误差部分,建立了非参数模型.构建了部分线性轨道改进模型,利用二阶段估计法和核函数估计法对模型误差进行拟合估计,并在轨道改进中予以补偿.根据数据深度理论,建立了非参数模型误差的深度加权核估计方法,提高了模型误差估计的抗差性.最后结合天基空间目标监视系统进行了轨道确定仿真实验.实验结果表明,模型误差是影响轨道确定精度的重要因素,核函数估计法可以有效估计定轨中的模型误差,窗宽是提高模型估计精度的重要变量,通过深度加权处理可以明显提高核函数估计的抗差性,提高轨道确定精度.     

X射线脉冲星导航可用目标源研究

脉冲星具有自转非常稳定的特性,在空间自主导航中有重要的应用前景.选择和研究一组适合于脉冲星导航使用的候选目标源非常重要,决定脉冲星导航精度的主要因素有:导航目标源X射线流量强度、目标源的位置精度和旋转参数精度.对可用于导航的一些X射线源进行了讨论研究,并对最适合做导航研究的转动能驱动的X射线脉冲星进行统计分析.     

非均一方差的GNSS定位误差模型检验

在全球导航卫星系统中,定位精度是一个重要的性能指标。准确的定位误差模型有利于理解系统的工作模式,同时也为进一步提高系统性能提供指导。当卫星的测距误差满足相互独立和方差均一的条件时,定位误差等于测距误差标准差与几何精度因子的乘积。然而在实际应用中,由于不同卫星信号的传播路径不同,测距误差的统计特征难以相同,尤其当卫星信号受到多径干扰与电离层闪烁影响时,不同卫星间的测距误差有显著的差异。介绍了一种利用奇异值分解方法建立的非均一测距误差的定位误差理论模型,利用北京站与香港站的实测数据,对受到多径效应与电离层闪烁影响的定位误差进行分析。结果表明,其统计特性与非均一方差的定位误差模型给出的结果一致,验证了模型的正确性和有效性。     

Algorithm Analysis of Autonomous Navigation of Spacecraft Based on X-ray Pulsars

A pulsar has the very stable rotation and can be used as the time standard. The astrometric parameters and astrophysical parameters of many pulsars, such as the spatial position, proper motion, distance, rotation period and its derivative, etc., can be all accurately determined. Since the pulsar can provide the time signal and the coordinates of its spatial position simultaneously, the pulsar navigation system installed on a spacecraft enables the autonomous navigation of the spacecraft to be realized. Firstly, the position of the spacecraft is predicted based on the equation of orbit dynamics of the spacecraft and then the Kalman filtering is applied to calculating the estimation error of the spacecraft position through the difference between the pulse arrival time observed on the spacecraft and the predicted pulse arrival time, thereby modifying the position of the spacecraft. Finally, the effects of the initial error, measuring accuracy of the pulse arrival time and number of pulsars on the navigation accuracy are analyzed.     

关于脉冲星脉冲到达时间转换方程

较详细地介绍了脉冲星脉冲到达时间（TOA）转换方程,讨论了脉冲星TOA转换方程在航天器导航算法中的具体应用问题。同时,对导航用的脉冲星脉冲TOA转换方程与地面射电计时观测用的脉冲星脉冲TOA转换方程进行了比较研究。     

脉冲星时稳定度及可能应用

给出了毫秒脉冲星长期计时观测最新结果和脉冲星时与原子时频率稳定度的比较。指出脉冲星时频率稳定度的提高受到计时观测误差的限制,讨论了提高毫秒脉冲星计时观测精度的方法。随着脉冲星计时阵的实施,脉冲星时的应用已为期不远。可能的应用包括毫秒脉冲星与原子钟结合守时、建立综合脉冲星时和用脉冲星计时阵检测原子时误差等方面。     

Towards practical autonomous deep-space navigation using X-Ray pulsar timing

We investigate the feasibility of deep-space navigation using the highly stable periodic signals from X-ray pulsars in combination with dedicated instrumentation on the spacecraft: a technique often referred to as ‘XNAV’. The results presented are based on the outputs from a study undertaken for the European Space Agency. The potential advantages of this technique include increased spacecraft autonomy and lower mission operating costs. Estimations of navigation uncertainties have been obtained using simulations of different pulsar combinations and navigation strategies. We find that the pulsar PSR B1937?+?21 has potential to allow spacecraft positioning uncertainties of ~2 and ~5 km in the direction of the pulsar after observation times of 10 and 1 h respectively, for ranges up to 30 AU. This could be achieved autonomously on the spacecraft using a focussing X-ray instrument of effective area ~50 cm² together with a high performance atomic clock. The Mercury Imaging X-ray Spectrometer (MIXS) instrument, due to be launched on the ESA/JAXA BepiColombo mission to Mercury in 2018, is an example of an instrument that may be further developed as a practical telescope for XNAV. For a manned mission to Mars, where an XNAV system could provide valuable redundancy, observations of the three pulsars PSR B1937?+?21, B1821-24 and J0437-4715 would enable a three-dimensional positioning uncertainty of ~30 km for up to 3 months without the need to contact Earth-based systems. A lower uncertainty may be achieved, for example, by use of extended observations or, if feasible, by use of a larger instrument. X-ray instrumentation suitable for use in an operational XNAV subsystem must be designed to require only modest resources, especially in terms of size, mass and power. A system with a focussing optic is required in order to reduce the sky and particle background against which the source must be measured. We examine possible options for future developments in terms of simpler, lower-cost Kirkpatrick-Baez optics. We also discuss the principal design and development challenges that must be addressed in order to realise an operational XNAV system.     

基于实测数据的综合脉冲星时研究

介绍了脉冲星计时在几个重要方面的应用,给出了脉冲星时间尺度的简要定义.基于澳大利亚PARKES天文台的毫秒脉冲星实测计时数据,建立了基于4颗毫秒脉冲星的综合脉冲星时,并将其稳定度σz与原子时进行比较,最后分析了影响综合脉冲星时的几个重要因素及其对脉冲星计时精度的影响与应用.     

Research on Ensemble Pulsar Time Based on Observed Data

The applications of pulsar timing to several important aspects are introduced and a skeletal definition of the pulsar time scale is given. By taking advantage of the observational timing data of millisecond pulsars obtained at the Parkes Astronomical Observatory, Australia, the ensemble pulsar time based on 4 millisecond pulsars is built up, the comparison of its stability σz, with that of the atomic time is made, and finally a few of important factors which affect the ensemble pulsar time, as well as their influences on the pulsar timing accuracy and application are analyzed.