脉冲星用于深空探测器导航定位及授时的探讨

研究了脉冲星导航基本原理,分析了现有脉冲星导航定位算法,探讨了其在深空探测器自主导航定位和授时方面的应用。     

X射线脉冲星导航定位技术研究

X射线天文学催生了X射线脉冲星导航,并为其提供了理论和技术基础,本文分析了X射线脉冲星导航的原理和计算方法,介绍脉冲星导航研究的重大意义及进展情况,分别对该技术涉及的关键技术,即脉冲星巡天、脉冲到达时间、X脉冲探测器、时空基准的建立与维持和导航算法等做了介绍。     

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。     

X射线脉冲星导航几何法确定航天器位置

给出了X射线脉冲星导航中,利用单差、双差观测量根据几何法确定航天器位置的基本方法。通过仿真试算,重点分析了各类误差项对位置确定精度的影响。     

基于X射线脉冲星的环火探测器同步定位和授时仿真分析

利用X射线脉冲星观测量不仅能够为深空探测器提供稳定可靠的位置、速度和姿态信息,还能够对探测器上的原子钟进行长期误差校正。火星探测任务中,存在探测器飞行时间长,钟差随时间累积严重降低脉冲星自主定位系统的精度等问题。针对此,提出了一种环火探测器同步定位和授时方法,对钟差进行建模,将钟差模型参数纳入到滤波系统中,利用自适应扩展卡尔曼滤波器同时计算探测器的位置、速度和钟差模型参数。仿真实验表明,经滤波校正后的钟差保持在300 ns以内,探测器的位置和速度精度分别优于200 m和0.03 m/s,精度得到明显改善。     

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。     

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.     

X射线脉冲星导航中脉冲轮廓的频偏和时延算法

观测轮廓与标准轮廓的频率偏差和时间延迟是X射线脉冲星导航的两个观测量,讨论其计算方法并提出如下改进意见:①对探测器的最小分辨时间作进一步的时间细分,在每一个小的时间间隔内接收的光子数可以假设满足二项分布,再对观测轮廓叠加可以求得更高精度的频偏;②将实际观测轮廓分为理想轮廓及其偏差两部分,而TOA是指理想轮廓与标准轮廓的时延,Sala等人提出的用相关函数求TOA方法仅对理想轮廓成立;③如果实际轮廓在测量过程中形状不变,则偏差产生的TOA估计误差为一常数。在此基础上提出实际观测轮廓的TOA估计方法,其计算精度小于探测器的最小分辨率。     

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。     

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。     

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。     

中国北斗导航系统综合定位导航授时体系发展构想

对当前中美两国各自提出的弹性PNT (positioning, navigation, and timing)概念进行了深入分析, 并指出相互之间的差异和问题。特别针对未来国家综合PNT体系的主要需求特点, 从弹性概念的内涵入手, 提出PNT体系弹性能力的指标可分为外力干扰特性、内在技术特性和性能效果特性三类; 同时, 考虑到不同层次的PNT体系设计差异问题, 将PNT弹性化问题分为用户级弹性、系统级弹性和体系级弹性三个层次。笔者试图通过上述工作为中国在PNT体系领域的理论研究工作提供帮助。     

美国国家定位导航授时体系结构转型计划概况

简要介绍了美国国家定位导航授时体系结构实施计划的转型任务选择原则、转型路线图及相关任务、计划执行思路,及其在推进美国定位导航授时行业实现更强大的未来“目标定位导航授时体系结构”所起的作用.重点分析了美国国家PNT体系结构实施计划中的未来PNT技术发展方向与重点,为我国相关PNT技术发展提供参考.     

脉冲星时间模型精化及延迟修正分析

概述了脉冲星时间模型精化的基本步骤,给出了Einstein、Shapiro、Roemer、色散延迟改正的计算方法,以及常用的双星模型。利用澳大利亚国家实验室提供的J0437-4715毫秒脉冲双星数据,试算了各延迟修正量的大小;分析了采用不同双星模型、行星星历对计算结果的影响。