[发明专利]一种X射线脉冲星导航脉冲TOA的确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天器自主导航技术领域，特别涉及一种X射线脉冲星导航脉冲TOA的确定方法。

背景技术

X射线脉冲星导航(XPNAV)是一种新概念的航天器自主导航技术，能够为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息，具有重要的工程应用价值和战略研究意义，备受国际航天机构关注。从公开报道来看，X射线脉冲星导航最知名的计划是2004年美国国防先进技术发展局启动的“X射线导航与自主定位”(XNAV)研究计划，该计划目前已完成可行论证、关键技术攻关与地面验证，即将在国际空间站和高轨道卫星上开展空间飞行试验。其它公开的脉冲星导航计划还包括，2004年欧洲空间局(ESA)在ARIADNA空间技术预研计划支持下启动的“ESA深空探测器脉冲星导航研究计划”，进行了可行性研究；日本、俄罗斯和澳大利亚等国家也开展了相关的研究。

XPNAV的基本原理是将X射线脉冲星到达航天器的到达时间(TOA)作为基本观测量，利用建立在基准点(太阳系质心)的时间模型，计算同一脉冲到达基准点的TOA，利用脉冲TOA观测量与预测模型之间的差值，通过一定的导航算法，获得观测时刻航天器相对基准点的位置。因此只有进行精确的脉冲TOA确定，才能进行后续的航天器导航定位。

脉冲TOA是XPNAV的基本观测量，其确定精度是决定XPNAV定位、测速和定时精度的主要因素，如何高精度的求解脉冲TOA是XPNAV的一个十分重要的问题。Emadzadeh A A等人提出了一系列的脉冲TOA确定方法，在文献“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”和文献“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”中提出将到达光子进行历元折叠得到折叠轮廓，前者利用非线性最小二乘估计而后者利用互相关技术实现折叠轮廓与标准轮廓的对比，得到脉冲TOA的值；文献“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，提出直接利用光子数据通过最大化似然函数求得脉冲TOA的值。文献“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”提出利用栅格化搜索的数值算法来完成似然函数的最大化。Rinauro S等人在文献“Rinauro S,Colonnese S,ScaranoG.Fast near-maximum likelihood phase estimation of X-ray pulsars.Signal Processing,2013,93(1):326-331”中将脉冲TOA确定问题重构为一个循环移位参数估计问题，然后利用离散傅里叶变换完成似然函数的最大化，得到脉冲TOA的值。在国内，学者们也提出了一些高精度的脉冲TOA确定方法。谢振华等人在文献“谢振华，许录平，倪广仁.基于双谱的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量.物理学报,2008,57(10):6683-6688”中利用双谱抑制高斯噪声，在低信噪比下也具有较高的估计精度，但是该方法是针对射电脉冲星累积轮廓的脉冲TOA确定提出的，并不适用与XPNAV；苏哲等人在文献“苏哲，许录平，王婷等.一种新的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算法.宇航学报,2011,32(6):1256-1261.”中提出了一种粗略估计和精确测量相结合的XPNAV脉冲TOA确定方法，通过抛物面内插法来提高精度。

但是，为了获得更好的导航效果，现有的脉冲TOA确定方法的精度仍有待进一步提高。

发明内容