[發明專利]一種脈沖星導航位置和速度聯合估計方法

無效

• 申請號: 201310062534.2
• 申請日: 2013-02-27
• 公開（公告）號: CN103217161A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 劉勁;吳謹;孫永明;熊凌;李娟
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 嚴彥

技術領域

本發明屬于航天器導航領域，特別涉及一種脈沖星導航位置和速度聯合估計方法。

背景技術

近些年來，為了爭奪太空資源，航天大國紛紛開展深空探測活動，而精確的導航定位是所有深空探測活動的前提和基礎。目前，航天器導航系統主要包括以下幾種：地面站導航系統、全球定位系統(Global?Position?System,GPS)、重力導航系統、地磁導航系統以及天文導航系統(CelestialNavigation?System,CNS)等。但是，這些技術都不適合深空探測，主要問題如下：地面站導航系統、GPS、重力導航系統和地磁導航系統只能為地球表面的飛行器和近地空間的航天器提供導航信息；CNS是在航天器上安裝光學敏感器件，通過測量恒星和近天體的相對位置來實現定位，其定位精度受航天器與近天體之間的距離影響，無法滿足星際飛行任務高精度定位的要求。

X射線脈沖星導航是一種新興的航天器自主導航方式，可在整個太空內為航天器提供長時間、高精度的定位和定速等導航信息。X射線脈沖星是一種高速自轉的磁中子星，能夠不斷對外輻射穩定的、可預見的、唯一的X射線信號。星載X射線探測器接收一段時間(5~10分鐘)的脈沖信號，對其按脈沖周期累積并處理即可獲得到達航天器的時間t_SC。而該脈沖到達太陽系質心(solar?system?barycenter,SSB)時間t_b則可通過脈沖計時模型預報得到。時延t_b-t_SC則為脈沖星導航系統的基本觀測量。從多顆脈沖星視線方向上可得到多個觀測量，再利用導航濾波器即可估計出航天器位置。

脈沖到達時間的獲取需通過長時間(5~10分鐘)累積脈沖星輻射信號。但是，由于航天器是運動的，且無法獲得長時間、高精度的速度信息，X射線探測器接收到的脈沖信號必然會受Doppler效應的影響，且該效應無法有效消除。在脈沖信號累積過程中，若按脈沖星輻射信號固有周期進行累積，脈沖累積輪廓會出現“鈍化”，定位精度也會大幅度下降，嚴重時甚至會導致脈沖星導航系統無法正常工作。在Institute?of?Navigation?63rd?Annual?Meeting(導航協會第63屆年會)上公布的《On?pulse?phase?estimation?and?tracking?of?variable?celestial?X-ray?sources?(關于可變宇宙X射線源的脈沖相位估計與跟蹤)》一文中，Golshan根據脈沖輪廓的畸變，利用最大似然估計方法確定位置和速度。該方法的精度已經接近于克拉美勞下界。但是，由于該技術通過網格法搜索似然函數的最大值來獲得速度估計值，每次網格點的計算都涉及全部脈沖輻射信號原始數據。在現有技術條件下，探測器分辨率在微秒量級，累積時間為5～10分鐘，則原始數據量在10⁸～10⁹量級，十分巨大。這導致計算量很大(僅一次網格點的計算就包括10⁸～10⁹量級加法運算和10⁸～10⁹量級乘法運算)，所以該算法無法滿足實時性要求。在期刊《Science?China:Physics,Mechanics?&?Astronomy(中國科學：物理學力學天文學)》2011年第6期的《Modeling?and?Doppler?measurement?of?X-ray?pulsar(X射線脈沖星建模和多普勒測量)》一文中，將脈沖星信號分解為多個高斯函數，提出了脈沖累積輪廓熵的概念，以標準脈沖輪廓和累積輪廓之間的誤差為目標函數，通過調整時延和Doppler速度，使得目標函數最小，從而獲得較高精度的速度估計值。這兩種方法也需多次計算脈沖輻射信號的原始數據，計算量很大。

發明內容

本發明針對現有脈沖星導航定位和定速方法計算量大這一缺陷，提供一種快速的脈沖星導航位置和速度聯合估計方法，以實現在軌實時計算。

本發明的技術方案為一種脈沖星導航位置和速度聯合估計方法，包括以下步驟：

步驟1，總觀測時間間隔(t₀，t_f)被分為m個相等的觀測子間隔，(t₀+(i-1)T_obs/m,t₀+i·T_obs/m),i=1,2…m,其中，觀測時間為T_obs=t_f-t₀；