本文關鍵詞：X射線脈沖星自主導航算法研究

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【摘要】：X射線脈沖星對于人類航天器來說,猶如天然的燈塔,其廣泛的分布和穩(wěn)定的信號,使其成為極具前景的天文自主導航的天然信標。近年來,X射線脈沖星導航(XNAV,X-ray pulsar-based NAVigation)已經(jīng)成為航天自主導航的一個重要研究方向,基于X射線脈沖星的自主導航計劃也相繼開展。本文主要內容包括:研究了XNAV的基本原理。介紹了脈沖星基本特征和XNAV系統(tǒng)的時空參考框架,闡述了X射線脈沖星導航的基本流程,以及導航系統(tǒng)的基本組成。給出了脈沖星導航的定位,守時和定姿的基本原理和數(shù)學模型。研究了X射線脈沖星信號處理方法和相位估計。建立了X射線脈沖星測量的信號模型,結合實測數(shù)據(jù)對模型進行了驗證。在周期折疊處理的基礎上,分析了觀測時間與測量輪廓信噪比的關系,給出了航天器速度不確定情況下的周期檢測方法。為了提高測量輪廓信噪比,利用小波變換對脈沖星測量信號進行降噪處理。研究了估計相位的方法,提出了多尺度折疊的處理方法和加權的相位估計的改進方法。研究了XNAV中解算整周模糊度的算法。分析了脈沖星導航中出現(xiàn)整周模糊度問題的背景,建立了問題的數(shù)學模型。在傳統(tǒng)模糊度域內搜索的算法基礎上,提出了一種以3個脈沖星為基準星進行解算整周模糊度的算法。并且給出了本文方法的基準星選擇和算法具體流程,分析了影響整周模糊度解算準確性的影響因素,最后通過數(shù)學仿真比較了本文方法與基于模糊度域內單差法與雙差最小二乘的方法。研究了XNAV在火星軌道器導航中的應用。首先建立軌道器的軌道動力學模型。分析了X射線脈沖星可見的影響因素,結合軌道器的運動分析了軌道周期內脈沖星可見情況。給出了基于擴展卡爾曼濾波的導航濾波器設計,包括同時定位和守時的導航濾波器和定姿組合導航的濾波器設計。研究了單探測器多星觀測的導航方法,并且和多探測器觀測的方法進行了對比仿真,證明單探測器多星導航方法是否可行。最后給出了導航精度的影響因素,包括脈沖星方向和導航脈沖星測距誤差,以及切換時間和軌道高度。
【關鍵詞】：X射線脈沖星導航 相位估計 整周模糊度 單探測器多星觀測
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 緒論10-16
• 1.1 研究目的和意義10
• 1.2 X射線脈沖星自主導航特點10-12
• 1.3 國內外研究進展12-14
• 1.3.1 國外研究進展12-13
• 1.3.2 國內研究進展13-14
• 1.4 本文主要研究內容14-16
• 第2章 X射線脈沖星導航基本原理16-31
• 2.1 X射線脈沖星基本特征16-17
• 2.2 X射線脈沖星導航的時空參考框架17-20
• 2.2.1 參考坐標系17-18
• 2.2.2 廣義相對論下時間系統(tǒng)18-20
• 2.3 X射線脈沖星系統(tǒng)組成與導航流程20-22
• 2.4 X射線脈沖星幾何定位基本原理22-23
• 2.5 脈沖星信號到達時間測量23-26
• 2.6 XNAV守時基本原理26-27
• 2.7 XNAV定姿基本原理27-30
• 2.8 本章總結30-31
• 第3章 X射線脈沖星信號處理與相位估計31-55
• 3.1 脈沖星信號模型31-34
• 3.1.1 脈沖星測量信號統(tǒng)計特性31-33
• 3.1.2 脈沖星信號輪廓33-34
• 3.2 基于周期折疊的脈沖星信號處理34-39
• 3.2.1 周期折疊處理34-35
• 3.2.2 航天器速度不確定情況下的周期檢測35-37
• 3.2.3 利用小波變換對脈沖星信號降噪37-39
• 3.3 基于時域法相位估計的改進39-44
• 3.3.1 脈沖星信號時域法相位估計40-41
• 3.3.2 利用多尺度折疊處理對相位估計改進41-43
• 3.3.3 增強相位估計魯棒性的加權估計方法43-44
• 3.4 仿真分析44-53
• 3.4.1 脈沖星信號模型驗證44-45
• 3.4.2 觀測時間與測量輪廓信噪比的關系45-46
• 3.4.3 基于波形最優(yōu)匹配周期檢測仿真46-48
• 3.4.4 脈沖星信號降噪仿真48-50
• 3.4.5 相位估計仿真與分析50-53
• 3.5 本章小結53-55
• 第4章 X射線脈沖星導航整周模糊度解算55-77
• 4.1 脈沖星導航整周模糊度問題55-56
• 4.2 整周模糊度解算算法56-64
• 4.2.1 模糊度函數(shù)法57-58
• 4.2.2 基于最小二乘的模糊度搜索算法58-61
• 4.2.3 模糊度域內搜索算法61-64
• 4.3 基于模糊度域內搜索的改進方法64-72
• 4.3.1 改進方法的基本原理64-66
• 4.3.2 基準脈沖星的選擇66-71
• 4.3.3 算法流程與分析71-72
• 4.4 整周模糊度解算正確性的影響因素72-73
• 4.5 仿真與分析73-75
• 4.5.1 仿真參數(shù)設置73-74
• 4.5.2 算法對比仿真結果與分析74-75
• 4.6 本章小結75-77
• 第5章 X射線脈沖星導航在火星軌道器的應用77-110
• 5.1 火星軌道器動力學描述77-82
• 5.1.1 火星軌道器常用坐標系及其轉換77-79
• 5.1.2 火星軌道器軌道動力學模型79-81
• 5.1.3 火星軌道器姿態(tài)的運動學模型81-82
• 5.2 X射線脈沖星可見性分析82-83
• 5.3 X射線脈沖星導航濾波器設計83-90
• 5.3.1 擴展卡爾曼濾波基本方程83-85
• 5.3.2 定位與守時導航濾波器設計85-88
• 5.3.3 定姿組合導航濾波器設計88-90
• 5.4 單探測器多星觀測導航方案與可行性分析90-94
• 5.4.1 單探測器守時可觀性分析91-92
• 5.4.2 單探測器多星導航定位可行性分析92-94
• 5.5 定位導航精度影響因素分析94-95
• 5.6 仿真與分析95-108
• 5.6.1 火星軌道器軌道動力學仿真95-97
• 5.6.2 X射線脈沖星可見性分析97-99
• 5.6.3 定位與守時導航仿真99-106
• 5.6.4 姿態(tài)組合導航仿真106-108
• 5.7 本章小結108-110
• 結論110-112
• 參考文獻112-118
• 致謝118

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本文編號：571937