[發明專利]一種基于動態脈沖累積窗口的X射線脈沖星導航方法

有效

• 申請號: 201710632232.2
• 申請日: 2017-07-28
• 公開（公告）號: CN107328409B
• 公開（公告）日: 2019-01-25
• 發明（設計）人: 石恒;熊凱;徐超;魏春嶺;王磊;梅志武
• 申請（專利權）人: 北京控制工程研究所
• 主分類號: G01C21/02
• 分類號: G01C21/02
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 胡健男

本發明涉及一種基于動態脈沖累積窗口的X射線脈沖星導航方法，屬于航天器制導、導航與控制領域，有別于目前X射線脈沖星導航方法中對X射線脈沖星光子信號進行固定窗口累積的方式，本發明采用動態設置的脈沖累積窗口，隨著X射線光子脈沖采樣的更新，可根據信號累積信噪比和觀測更新頻率的需要，與濾波遞推計算的過程同步地調整累積窗口位置，同時更新脈沖輪廓累積數據，提高導航觀測更新頻率。本發明可以有效解決傳統X射線脈沖星光子信號固定窗口累積方式中無法有效抑制隨機誤差、軌道外推誤差影響過大、脈沖累積窗口設置不靈活等問題，提高導航精度和穩定性。

技術領域

本發明涉及一種基于動態脈沖累積窗口的X射線脈沖星導航方法，屬于航天器制導、導航與控制領域。

背景技術

X射線脈沖星能夠發射具有穩定周期的X射線脈沖信號，是理想的導航天體源，被譽為“宇宙中的燈塔”、“自然界的天體鐘”。航天器上的脈沖到達時間觀測量反映了航天器慣性位置矢量在脈沖星視線矢量上的投影，可用于確定航天器的位置和速度。近年來，X射線脈沖星導航已成為航天器自主導航領域的研究熱點，理論方法不斷完善。與此同時，X射線探測器技術也有了日新月異的發展，在探測靈敏度提高的同時，其質量和體積不斷減小，已進入試驗驗證階段，X射線脈沖星導航技術的發展前景十分可觀。

導航精度是制約X射線脈沖星導航技術應用的瓶頸之一，導航精度取決于測量精度、模型精度、計時精度等方面。從驗證導航方案可行性的角度出發，需要重點關注系統模型精度、測量信息精度對導航精度甚至穩定性的影響，集中體現在脈沖輪廓累積觀測方法、軌道外推模型等方面。

調研表明，目前國內外脈沖星絕對導航算法方案中均采用了基于脈沖累積進行相位比較的方式產生導航測量。該方式首先在某個脈沖星觀測時段內，通過航天器上的X射線探測器記錄X射線脈沖光子到達時間(TOA)，同時將通過軌道外推獲得的位置信息用于建立時間轉換方程，對光子TOA觀測量進行時間轉換；其次，基于經過轉換的光子TOA數據，通過周期折疊方法獲得觀測脈沖輪廓；再次，比對觀測脈沖輪廓和標準脈沖輪廓模版，得到的脈沖到達時間差(TDOA)；最后，結合航天器軌道動力學模型，通過濾波算法處理脈沖TDOA，獲得航天器位置和速度的估計值。

上述基于脈沖累積進行相位比較的方式具有誤差反饋直接的特點，針對長期項偏差具有較好的校正能力。然而，結合目前實際應用的情況，主要的問題在于：測量間隔長，脈沖累積固定，脈沖累積完成后才用于測量更新。這些因素造成的負面影響包括：一方面，目前的測量校正方式更新頻率低，對于測量信息中隨機誤差的抑制能力較弱。因此，最終影響到定位精度的誤差中，隨機殘留誤差仍將保持在原始導航觀測測量隨機誤差的水平。另一方面，由于測量間隔長，軌道外推誤差將在測量間隔期間不斷增大，導致光子TOA轉換出現偏差，進而引起脈沖輪廓累積誤差，直接影響最終導航測量精度。

發明內容

本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于動態脈沖累積窗口的X射線脈沖星導航方法，提高導航觀測信息利用效率和測量更新頻率，改善X射線脈沖星導航的精度和穩定性。

本發明的技術解決方案是：一種基于動態脈沖累積窗口的X射線脈沖星導航方法，包括：初始化階段、狀態預測階段、光子測量處理階段、脈沖輪廓動態累積階段、TDOA求解階段、濾波估計階段。

所述初始化階段步驟如下:

(1)設置光子測量參數，包括：當前累積初始時刻t₀；發出光子的脈沖星的信號周期T_p，簡稱為脈沖信號周期，T_p為正數；每個脈沖周期內的時間窗格數N_b，N_b為正整數。設置輪廓累積參數，包括：累積脈沖周期數N_p，N_p為正整數。

(2)定義狀態變量x：

x＝[r v]^T