發(fā)布時(shí)間：2020-05-16 12:19

【摘要】：X射線脈沖星導(dǎo)航是一種新興的導(dǎo)航方式,它利用脈沖星輻射出的X射線作為信號(hào)源進(jìn)行導(dǎo)航,不依賴于地面測(cè)控設(shè)備或天基導(dǎo)航衛(wèi)星,尤其適用于深空探測(cè)任務(wù)中的導(dǎo)航。本文以X射線脈沖星導(dǎo)航為背景,考慮信號(hào)噪聲、星歷表誤差、觀測(cè)量異常等因素對(duì)導(dǎo)航精度的影響,對(duì)脈沖星選星、信號(hào)預(yù)處理、導(dǎo)航算法等內(nèi)容展開(kāi)研究,主要內(nèi)容如下:研究X射線脈沖星導(dǎo)航優(yōu)化選星方法。根據(jù)脈沖星導(dǎo)航的特點(diǎn),采用EPN數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)獲取來(lái)源。并對(duì)EPN數(shù)據(jù)庫(kù)中收集的1000多顆脈沖星數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,優(yōu)選導(dǎo)航用脈沖星�？紤]天體遮擋和太陽(yáng)強(qiáng)輻射等因素對(duì)脈沖星可見(jiàn)性的影響,建立選星約束條件,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)中的X射線脈沖星進(jìn)行初選。在此基礎(chǔ)上,針對(duì)導(dǎo)航用X射線脈沖星展開(kāi)優(yōu)選,提出脈沖星觀測(cè)模型精度因子,減小導(dǎo)航定位誤差。研究X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)觀測(cè)信號(hào)降噪與識(shí)別方法。針對(duì)觀測(cè)信號(hào)中噪聲較大,影響觀測(cè)量準(zhǔn)確計(jì)算的問(wèn)題,提出一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的信號(hào)降噪算法。通過(guò)相關(guān)性分析設(shè)計(jì)基于局部噪聲估計(jì)方法,并將所估計(jì)噪聲方差用于自適應(yīng)閾值的設(shè)計(jì),最后將該自適應(yīng)閾值用于所提基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解的脈沖星信號(hào)降噪方法中,提高X射線脈沖星觀測(cè)信號(hào)的信噪比;在信號(hào)識(shí)別方面,根據(jù)X射線脈沖星信號(hào)在時(shí)域上光子輻射強(qiáng)度的特性,設(shè)計(jì)基于信號(hào)瞬時(shí)幅值最小距離的信號(hào)識(shí)別算法,提高X射線脈沖星觀測(cè)信號(hào)識(shí)別速度。研究X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)星歷表誤差校正方法。通過(guò)對(duì)星歷表誤差引起的導(dǎo)航系統(tǒng)觀測(cè)偏差進(jìn)行分析,建立帶有星歷表誤差的觀測(cè)模型,提出一種基于矩陣不等式的魯棒卡爾曼濾波導(dǎo)航方法。在濾波計(jì)算的過(guò)程中,星歷表誤差項(xiàng)是未知的,利用根據(jù)量測(cè)殘差協(xié)方差和矩陣不等式進(jìn)行處理,確定誤差協(xié)方差的下界,并修正濾波算法反饋增益得到最終的狀態(tài)估計(jì)值�？梢匀〉玫捷^高的定位精度,有效的減小星歷表誤差對(duì)脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。研究X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)觀測(cè)量異常校正方法�？紤]到觀測(cè)量異常時(shí),無(wú)跡卡爾曼濾波器算法的觀測(cè)殘差會(huì)發(fā)生劇烈變化,設(shè)計(jì)基于觀測(cè)殘差統(tǒng)計(jì)信息的異常檢測(cè)函數(shù),提出一種自適應(yīng)無(wú)跡卡爾曼濾波算法。由于實(shí)際觀測(cè)量和導(dǎo)航系統(tǒng)量測(cè)模型存在誤差,當(dāng)觀測(cè)量受環(huán)境影響發(fā)生突變時(shí),UKF濾波算法的量測(cè)殘差會(huì)發(fā)生劇烈變化。因此,利用量測(cè)殘差設(shè)計(jì)異常檢測(cè)函數(shù),對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)觀測(cè)量進(jìn)行判斷。并在UKF濾波算法中加入自適應(yīng)調(diào)節(jié)矩陣,建立理論上的量測(cè)殘差協(xié)方差與實(shí)際值的等式關(guān)系,求出調(diào)節(jié)矩陣并修正濾波算法增益,得到準(zhǔn)確的狀態(tài)估計(jì)值,減小觀測(cè)量異常對(duì)脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)的影響。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文終確定航天器的位置、速度和姿態(tài)等導(dǎo)航信息[11-12]。天文導(dǎo)航系信號(hào)，具有隱蔽性高、完全自主的優(yōu)點(diǎn)，但天文導(dǎo)航系統(tǒng)在進(jìn)中，觀測(cè)精度會(huì)受到可視條件的影響。X 射線脈沖星導(dǎo)航是一星發(fā)出的 X 射線信號(hào)作為導(dǎo)航觀測(cè)量的導(dǎo)航技術(shù)。作為一種新能夠提供位置、速度、姿態(tài)和時(shí)間等導(dǎo)航信息，滿足近地空間及星際間各種飛行任務(wù)的需求。由于該導(dǎo)航技術(shù)的這種優(yōu)勢(shì)，航天器自主導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[13-15]。星是一種大質(zhì)量天體經(jīng)過(guò)演化、坍縮后等極端物理?xiàng)l件下形成分布在太陽(yáng)系以外，距離地球十分遙遠(yuǎn)[16-17]。它具有非常極短轉(zhuǎn)軸與磁極軸不重合并形成一定的夾角，如圖 1-1 所示。脈沖星常強(qiáng)烈的電磁波，當(dāng)輻射電磁波掃過(guò)地面或航天器等載體上的夠在視線方向上接收到一個(gè)電磁波輻射脈沖信號(hào)。

脈沖星導(dǎo)航技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析的發(fā)現(xiàn)被稱為 20 世紀(jì) 60 年代天文學(xué)四大發(fā)現(xiàn)之一[23]。1生 Bell 和導(dǎo)師 Hewish 在對(duì)類星體的射電閃爍現(xiàn)象進(jìn)行觀現(xiàn)象，后經(jīng)過(guò)研究分析，被認(rèn)定為是一種未知天體，由于電磁脈沖信號(hào)，科學(xué)家將其命名為脈沖星[24]。脈沖星具能夠以非常穩(wěn)定的脈沖頻率發(fā)射信號(hào)，脈沖星的這種特性航方面具有非常廣闊的應(yīng)用前景，，引起了各國(guó)科研機(jī)構(gòu)和一課題，紛紛制定研究計(jì)劃并初步建立了脈沖星導(dǎo)航的理線脈沖星觀測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀脈沖星觀測(cè)主要分為地面射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)和星載 X 射線面射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)方面，美國(guó)國(guó)家射電天文臺(tái)于 1980 西哥州圣阿古斯丁平原上。該設(shè)備由 27 臺(tái)口徑 25 米的，可以根據(jù)任務(wù)排列成不同的形狀[25]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN967.1

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