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.     

脉冲星钟模型精度分析

毫秒脉冲星具有很高的自转稳定性,利用脉冲星自转极其稳定的特性可以开展许多应用研究,如:脉冲星时间标准的建立、宇宙背景引力波的探测、X射线脉冲星导航应用等等.利用国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)中J0437-4715和J1713+0743 2颗源的实测数据开展脉冲星钟模型参数精度分析和脉冲到达时间(Time Of Arrival,TOA)预报精度研究.通过研究得知,目前脉冲星自转频率测量精度为10-15Hz,频率1阶导数测量精度为10~(-23)s~(-2),且自转参数测量精度随观测时间跨度每4–5 yr提高1个量级.另外,利用J0437-4715 10 yr观测数据建立的钟模型,其脉冲到达时间预报偏差4.8 yr之内可保持在1μs之内.因此,利用该脉冲星建立时间标准用于校准原子时,可以使原子时相对于地球时(Terrestrial Time,TT)的偏差在4.8 yr之内小于1μs.     

脉冲星对氢原子钟的频率驾驭算法研究

氢原子钟具有较高的短期稳定度,将其作为主钟可在短期内产生高精度的本地时间信号.但氢钟存在频率漂移现象,导致其长期稳定度较差,从而影响本地时间的准确性.毫秒脉冲星自转高度稳定,借助于其长期稳定度高的特性,可定期实现对氢原子钟的频率驾驭,并对实时信号加以控制.首先分析了国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)第二批发布数据中四颗毫秒脉冲星的稳定度随时间的变化,同时采用哈达玛方差分析了中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)一台氢钟的频率稳定性能,最终给出了利用脉冲星驾驭氢原子钟频率的方法.     

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。     

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.     

脉冲星时间特征和多星计时观测

在评介脉冲星时研究发展趋势的基础上,讨论了基于毫秒脉冲星自转的脉冲星时间的短期特征和长期稳定度,并对影响其稳定度的因素作了初步分析.50m射电望远镜计时观测的目的之一就是综合脉冲星时研究.对于50m望远镜计时观测的选星和由多星观测进行综合脉冲星时研究中的数据分析问题进行了讨论.     

计时观测测量脉冲星参数的数学模型与精度估计

脉冲星计时观测能够精确测量脉冲星自转参数和天体测量参数.概述了脉冲星计时模型和利用最小二乘拟合测量脉冲星各个参数并估计其方差的数学方法.在黄道坐标系导出了脉冲星各个参数误差与计时残差之间关系的数学表达式.给出了脉冲星黄经、黄纬和周年视差测量精度与脉冲星黄纬绝对值之间的关系曲线.讨论了脉冲星各个天体测量参数测量精度与脉冲星纬向参数本身的关系.     

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.     

地球自转角速度的变化与脉冲星的周期变率

本文分析了地球自转角速度的变化对脉冲星的周期变率P的影响,得出以下结果:(1)地球自转角速度的变化对每一脉冲星的脉冲周期和周期变率都存在影响,因此,在把地球上所测量的脉冲星脉冲到达时间归算到太阳系质心时,必须考虑地球自转角速度变化的影响。(2)地球自转角速度的变化对脉冲星的周期影响不大,但对周期变率的影响必须引起注意,特别是对于P较小的脉冲星,这种影响甚至可大于本体的周期变化。(3)地球自转角速度的变化对脉冲星周期变率影响的数值,取决于脉冲星的赤纬和观测台站的纬度;赤纬越大,纬度越高,其值越小。(4)在上、下中天观测,地球自转角速度的变化对脉冲星的周期变率的影响较大。     

GPS近实时共视观测资料处理算法研究

GPS共视资料的高精度快速处理可实现近实时共视时间传递，常见的平滑方法不能满足近实时共视的要求。分析GPS共视资料特点，设计一种卡尔曼滤波算法，对共视资料进行近实时处理，以便削弱观测噪声，估计异地钟差，对相距2000多公里的中国科学院国家授时中心(NTSC)与日本通信综合研究所(CRL)，和相距1000多公里的CRL与韩国计量科学研究院(KRIS)的共视观测资料处理结果表明：卡尔曼滤波算法所得钟差与根据BIPMT公报所得钟差的均方根误差分别优于2．9ns和2．6ns，为进一步提高比对精度，最后对近实时共视应用于多站点间相互比对的情况，提出在卡尔曼滤波算法基础上使用间接观测平差处理技术，根据共视网络中站点间距离设置观测权值，通过解矛盾方程组得到两站钟差，以NTSC、CRL和KRIS3站比对为例，以BIPMT公报得到的钟差为标准，对间接观测平差处理前后的数据比较表明，近实时比对精度可进一步提高。     

A Research on the Pulsar Timing Based on Kalman Filtering

The pulsar is a high-speed rotationing neutron star with a stable rotational period, being not disturbed and destroyed artificially, and can be taken as the reference quantity of the absolute time. In this article a kind of pulsar time service method based on the Kalman filtering algorithm is proposed, and the simulation analysis of the clock error control based on the Kalman filtering and of the effect of the pulsar catalogue error and the measuring accuracy of the pulsar time of arrival (TOA) on the accuracy of time service is made by taking a certain solar synchronous orbit as an example. The result shows that by utilizing this method the clock error of the satellite-borne clock can be effectively eliminated and its time-dependent increase is restrained, thereby solving the problem that the accuracy of the spacecraft-borne low cost clock can not meet the needs.     

Real-time Solution of Atomic Clock Operating Parameters Based on Adaptive Kalman Filtering

The real-tine and accurate knowledge of the operation of an atomic clock is of great significance to satellite navigation and time keeping. In the light of the problems which exist in the real-time solution of the atomic clock operating parameters by means of the standard Kalman filtering, the method for applying the adaptive Kalman filtering model based on the prediction residual to the real-time solution of the clock parameters is proposed. An adaptive factor is constructed by the model based on the standard Kalman filtering model so that the accurate and reliable estimates of the operating parameters may be given rather fast after the frequency modulation or phase modulation of the atomic clock. Finally, in combination with the 3 computational examples of the work on the navigation and time keeping, the effectiveness of the method is verified.     

BPL时号定时校准原理和方法

为保证BPL长波授时时号(以国家授时中心(NTSC)保持的UTC(NTSC)为基准)的准确度,必须对该时号进行定时校准(确定发射时号与发播工作钟同步时定时校准信号的相位)。阐述了定时校准的原理和方法。与传统罗兰-C系统校准方法不同,该方法选择发射天线电流取样信号基准过零点而非定时控制单元基本定时信号为定时校准点,消除了因锁相控制精度不足引起的误差,提高了时号精度。该方法可以作为罗兰-C授时系统的通用校准方法。     

一种新的守时型原子钟综合时间尺度方法研究

在这篇文章中, 提出了一种基于改进的指数平滑和Vondrak_Cepek联合平滑的氢铯综合时间尺度产生方法. 以最小误差方法为理论基础, 动态估计氢原子钟频率漂移参数, 提升氢原子钟钟差预测准确度; 基于改进的二次指数平滑产生氢原子钟组时间尺度、加权平均方法产生铯原子钟时间尺度, 同时设计Vondrak_Cepek滤波器以结合两类时间尺度长短期稳定度优势, 提升综合时间尺度性能. 实验结果表明, 所提方法产生的氢铯综合时间尺度时稳可达1.60x10^-15,天稳可达3x10^-15,优于ALGOS、AT1和Kalman滤波3种经典方法产生的时间 尺度性能.     

GPS定时噪声分析与控制

分析了选择可用性干扰的噪声特性,得到了选择可用干扰的数学模型。建立起时刻差方程的状态空间的描述,利用离散的状态方程,用卡尔曼滤波的方法减小ＳＡ干扰对校频,定时精度的影响。     

基于脉冲星的星载钟时间修正算法研究

讨论了一种对长期在轨运行的星载钟的钟差进行修正的方法,该方法以导航用毫秒脉冲星作为高稳定度频率源,采用卡尔曼最优估计算法对星载钟进行控制。仿真计算表明,该方法可以有效提高星载钟的长期频率稳定度,增强星载钟的长期自主运行能力。     

GPS同步恒星钟

主要叙述了利用ＧＰＳ定时接收机输出的时间信息和一系列电路完成平太阳时－恒星时转换的ＧＰＳ同步恒星钟的工作原理,以及“平化恒”时差改正的实现方法。     

一种铷原子钟双钟热备相位无扰切换系统的设计

为了满足时间统一系统中主钟与备份钟的时间、频率信号在切换时的连续性要求,提出并实现了一种铷原子钟双钟热备相位无扰切换系统的技术方案,阐述了双钟间频率与相位同步和信号无扰切换的方案原理,给出了系统组成与主要控制程序的框图及测试结果。采用本方案可使主钟与备份钟输出信号的时差小于±0．55ns,并实现了信号的无扰切换,满足了工程应用的要求。