本文關鍵詞：X射線脈沖星信號相位差估計方法及應用

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【摘要】：基于X射線脈沖星的相對導航系統(tǒng)因其自主性好、可靠性高及適用性廣等優(yōu)點,與現(xiàn)有的導航系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補,是一種全新的自主導航方法,正逐漸受到航空航天領域的高度重視和青睞�；赬射線脈沖星的相對導航主要是通過兩航天器測量到的脈沖時延與它們沿脈沖星方向矢量上的距離增量之間的比例關系來實現(xiàn)對相對運動狀態(tài)的估計。一般地,脈沖到達時間延遲量主要通過脈沖信號間的相位差來獲得,其精度直接決定了兩航天器相對導航定位的精度。因此,如何獲得高精度的相位差成為了亟待解決的問題。在X射線脈沖星相對導航定位系統(tǒng)中,主要將累積脈沖輪廓或測量得到的脈沖到達時間作為相位差估計的研究對象。本文給出了一種新的加權FFT相位差估計算法,該算法是以對光子到達時間序列進行等間隔采樣后得到的光子強度序列為研究對象,通過對頻域內光子強度序列間的相位差進行累積和能量加權頻域內相位差與各頻點的比值來獲得時域內相位延遲量的過程。該方法不僅可以防止輪廓累積過程中造成的有效信號損失提高信噪比,相比于脈沖到達時間還可減少數(shù)據(jù)對象加快運算速率。此外,本文還結合三維相對位置與速度解算方程和相對運動軌道動力學模型給出了基于擴展卡爾曼濾波的相對導航定位系統(tǒng),對兩航天器間的相對運動狀態(tài)做出估計,進一步驗證加權FFT算法的可行性和優(yōu)效性。針對本文給出的加權FFT相位差估計算法,將非線性最小均方差法和最大似然法與其在相位差估計精度和計算復雜度方面進行了對比仿真,分析了觀測時間與采樣間隔對加權FFT算法的影響,并在相對導航定位系統(tǒng)中運用各算法對相對運動狀態(tài)進行了估計。結果表明:(1)加權FFT的計算復雜度在ML與NLS之間,且比NLS和ML能夠獲得更高的相位差估計精度。(2)加權FFT估計的相位差均方根誤差關于觀測時間或采樣間隔均呈冪函數(shù)形式變化,隨著觀測時間的延長和采樣間隔的減小,其影響不再顯著。(3)在相對導航定位系統(tǒng)中,加權FFT比NLS和ML能夠估計得到更準確的相對位置和速度。
【關鍵詞】：相對導航 相位差估計 加權FFT 擴展卡爾曼濾波
【學位授予單位】：西安電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V448.2
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 符號對照表11-12
• 縮略語對照表12-15
• 第一章 緒論15-21
• 1.1 選題研究背景和意義15-17
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀17-18
• 1.3 論文主要工作及各章節(jié)內容安排18-21
• 第二章 脈沖星特點及相對導航應用原理21-35
• 2.1 脈沖星的基本特征21-25
• 2.1.1 脈沖星的產(chǎn)生及分類21-23
• 2.1.2 脈沖星的周期23
• 2.1.3 脈沖星的脈沖輪廓23-25
• 2.2 X射線脈沖星相對導航的基本原理25-27
• 2.3 X射線脈沖星相對導航的時間觀測量27-33
• 2.3.1 X射線脈沖星的脈沖到達時間測量27
• 2.3.2 X射線脈沖星的光子到達時間轉換27-32
• 2.3.3 兩觀測脈沖信號間的時間差計算32-33
• 2.4 本章小結33-35
• 第三章 X射線脈沖星信號間的相位差估計方法35-47
• 3.1 X射線脈沖星信號的泊松模型35-37
• 3.2 非線性最小均方差相位差估計37-38
• 3.3 最大似然相位差估計38-39
• 3.4 加權FFT相位差估計39-44
• 3.4.1 加權FFT相位差估計的基本原理39-41
• 3.4.2 加權FFT相位差估計的分段特性分析41-43
• 3.4.3 分段加權FFT相位差估計43-44
• 3.5 NLS、ML及加權FFT的計算復雜度分析44-46
• 3.6 本章小結46-47
• 第四章 基于X射線脈沖星信號間相位差的相對導航應用47-57
• 4.1 基于X射線脈沖星信號間相位差的相對導航定位方案設計47-48
• 4.2 三維相對位置和速度解算48-49
• 4.3 相對運動軌道動力學模型49-52
• 4.4 擴展卡爾曼濾波52-56
• 4.4.1 系統(tǒng)狀態(tài)方程52-53
• 4.4.2 系統(tǒng)測量方程53-54
• 4.4.3 更新過程54-56
• 4.5 本章小結56-57
• 第五章 仿真測試及結果分析57-75
• 5.1 NLS、ML及加權FFT相位差估計仿真對比57-62
• 5.1.1 相位差估計器的仿真參數(shù)設置57
• 5.1.2 NLS、ML及加權FFT算法的仿真流程57-60
• 5.1.3 均方根誤差對比分析60-61
• 5.1.4 計算代價對比分析61-62
• 5.2 加權FFT及分段加權FFT相位差估計仿真對比62-66
• 5.2.1 觀測時間及采樣間隔對加權FFT相位差估計精度的影響62-65
• 5.2.2 加權FFT及分段加權FFT相位差估計的RMSE和計算代價65-66
• 5.3 基于X射線脈沖星的相對導航系統(tǒng)仿真66-74
• 5.3.1 相對導航系統(tǒng)的仿真參數(shù)設置66-68
• 5.3.2 基于NLS、ML及加權FFT的運動狀態(tài)估計68-71
• 5.3.3 基于分段加權FFT的運動狀態(tài)估計71-74
• 5.4 本章小結74-75
• 第六章 結束語75-77
• 6.1 論文工作總結75
• 6.2 進一步研究與展望75-77
• 參考文獻77-81
• 致謝81-83
• 作者簡介83-84

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