[發明專利]一種X射線脈沖星導航脈沖TOA的確定方法

有效

• 申請號: 201410575004.2
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104296755B
• 公開（公告）日: 2017-06-06
• 發明（設計）人: 林晴晴;帥平;黃良偉;張新源;貝曉敏;吳耀軍
• 申請（專利權）人: 中國空間技術研究院
• 主分類號: G01C21/24
• 分類號: G01C21/24
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 范曉毅

技術領域

本發明涉及航天器自主導航技術領域，特別涉及一種X射線脈沖星導航脈沖TOA的確定方法。

背景技術

X射線脈沖星導航(XPNAV)是一種新概念的航天器自主導航技術，能夠為近地軌道、深空和星際空間飛行的航天器提供位置、速度、時間和姿態等豐富的導航信息，具有重要的工程應用價值和戰略研究意義，備受國際航天機構關注。從公開報道來看，X射線脈沖星導航最知名的計劃是2004年美國國防先進技術發展局啟動的“X射線導航與自主定位”(XNAV)研究計劃，該計劃目前已完成可行論證、關鍵技術攻關與地面驗證，即將在國際空間站和高軌道衛星上開展空間飛行試驗。其它公開的脈沖星導航計劃還包括，2004年歐洲空間局(ESA)在ARIADNA空間技術預研計劃支持下啟動的“ESA深空探測器脈沖星導航研究計劃”，進行了可行性研究；日本、俄羅斯和澳大利亞等國家也開展了相關的研究。

XPNAV的基本原理是將X射線脈沖星到達航天器的到達時間(TOA)作為基本觀測量，利用建立在基準點(太陽系質心)的時間模型，計算同一脈沖到達基準點的TOA，利用脈沖TOA觀測量與預測模型之間的差值，通過一定的導航算法，獲得觀測時刻航天器相對基準點的位置。因此只有進行精確的脈沖TOA確定，才能進行后續的航天器導航定位。

脈沖TOA是XPNAV的基本觀測量，其確定精度是決定XPNAV定位、測速和定時精度的主要因素，如何高精度的求解脈沖TOA是XPNAV的一個十分重要的問題。Emadzadeh A A等人提出了一系列的脈沖TOA確定方法，在文獻“Emadzadeh A A,Speyer J L.On modeling and pulse phase estimation of X-ray pulsars.IEEE Transactions on Signal Processing,2010,58(9):4484–4495”和文獻“Emadzadeh A A,Speyer J L.X-Ray Pulsar-Based Relative Navigation using Epoch Folding.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,2011:0018-9251”中提出將到達光子進行歷元折疊得到折疊輪廓，前者利用非線性最小二乘估計而后者利用互相關技術實現折疊輪廓與標準輪廓的對比，得到脈沖TOA的值；文獻“Emadzadeh A A,Speyer J L.Asymptotically efficient estimation of pulse time delay for X-ray pulsar based relative navigation.In:AIAAGN&C Conference,Chicago,IL,2009:1–12”中基于最大似然原理，提出直接利用光子數據通過最大化似然函數求得脈沖TOA的值。文獻“Golshan A R,Sheikh S I.On pulse phase estimation and tracking of variable celestial X-ray sources.In:ION 63rd Annual Meeting,Cambridge,MA,2007:413–422”提出利用柵格化搜索的數值算法來完成似然函數的最大化。Rinauro S等人在文獻“Rinauro S,Colonnese S,ScaranoG.Fast near-maximum likelihood phase estimation of X-ray pulsars.Signal Processing,2013,93(1):326-331”中將脈沖TOA確定問題重構為一個循環移位參數估計問題，然后利用離散傅里葉變換完成似然函數的最大化，得到脈沖TOA的值。在國內，學者們也提出了一些高精度的脈沖TOA確定方法。謝振華等人在文獻“謝振華，許錄平，倪廣仁.基于雙譜的脈沖星累積脈沖輪廓時間延遲測量.物理學報,2008,57(10):6683-6688”中利用雙譜抑制高斯噪聲，在低信噪比下也具有較高的估計精度，但是該方法是針對射電脈沖星累積輪廓的脈沖TOA確定提出的，并不適用與XPNAV；蘇哲等人在文獻“蘇哲，許錄平，王婷等.一種新的脈沖星累積脈沖輪廓時間延遲測量算法.宇航學報,2011,32(6):1256-1261.”中提出了一種粗略估計和精確測量相結合的XPNAV脈沖TOA確定方法，通過拋物面內插法來提高精度。

但是，為了獲得更好的導航效果，現有的脈沖TOA確定方法的精度仍有待進一步提高。

發明內容