[发明专利]轨道动力学辅助动态脉冲星信号的处理方法有效

专利信息
申请号: 201510491219.0 申请日: 2015-08-12
公开(公告)号: CN105004338B 公开(公告)日: 2018-03-13
发明(设计)人: 郑伟;王奕迪;汤国建;张大鹏 申请(专利权)人: 中国人民解放军国防科学技术大学
主分类号: G01C21/02 分类号: G01C21/02
代理公司: 长沙七源专利代理事务所(普通合伙)43214 代理人: 郑隽,吴婷
地址: 410073 *** 国省代码: 湖南;43
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摘要:
搜索关键词: 轨道 动力学 辅助 动态 脉冲 信号 处理 方法
【说明书】:

技术领域

本发明涉及导航方法领域,特别地,涉及一种动态脉冲星信号的处理方法,适用于不同飞行任务的X射线脉冲星导航任务。

背景技术

X射线脉冲星导航是一种新兴的天文导航方法,具有精度高、适用范围广的特点。X射线脉冲星是一种高速自旋的中子星,长周期稳定度极佳,且能辐射X射线的脉冲信号。对脉冲信号进一步处理可以获得航天器相对于脉冲星的位置,其可作为航天器导航的基准。

虽然脉冲星的信号被认为是脉冲型,可由于脉冲星的流量及其微弱,航天器仅能接收到一序列光子到达时间(Time of Arrival,TOA)。如何从光子TOA中提取出脉冲到达时间是脉冲星导航的一项关键技术。该技术可通过两类方法实现,即历元折合法(Epoch Folding,EF)和直接利用光子到达时间法(Direct Use of photon TOAs,DUPT)。若航天器静止或者以已知的速度做匀速直线运动,EF和DUPT均可获得较好的效果。若匀速直线运动的速度未知,EF失效。若航天器未进行匀速直线运动,现行的EF和DUPT均失效。在实际情况中,航天器均沿着轨道运行,航天器的速度实时变化,无法简单近似为匀速直线运动。因此提出可应用于该情况的动态脉冲星信号处理方法,对于促进脉冲星导航的发展十分必要。

针对航天器轨道运动的情况,现有的方法大多是从修正导航模型出发。文献1(褚永辉,王大轶,熊凯,黄翔宇.X射线脉冲星导航测量延时补偿方法研究[J].2012,33(11):1617-1622.)通过添加附加轨道影响项来修正脉冲到达时间。然而,该方法并未考虑航天器轨道运动导致脉冲星信号的周期变化,讨论的问题较为简单,且并未涉及具体的脉冲到达时间或脉冲初相的计算。文献2(刘劲,曾宪武,房建成,宁晓琳.基于星光多普勒的脉冲星脉冲到达时间补偿[J].2014,42(1):129-132.)改进了文献1提出的方法,然而该方法同样并未考虑轨道运动导致的脉冲星信号周期变化,仅将轨道影响看做对脉冲到达时间的累积影响。此外,文献1和文献2所提出的方法均通过引入其他导航设施的辅助信息来实现目的,并未从根本上解决单独脉冲星导航的动态信号求解问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题为:为了解决深空探测器的X射线脉冲导航系统的动态信号处理,本专利提出一种轨道动力学辅助动态脉冲星信号处理方法。

为解决上述技术问题,本发明采用以下技术方案:

一种轨道动力学辅助动态脉冲星信号处理方法,步骤为:

(1)根据公式(I)计算ti时刻的预估相位φpre(ti)。

其中,fs为脉冲星的自转频率,c为光速,n为脉冲星的方向矢量,为航天器在ti时刻相对于太阳的预估位置,t0为观测时段的起点。

(2)确定频率系数的阶数K。

对于深空探测器导航任务,频率系数的阶数K设为1。

(3)根据公式(II)计算ti时刻的航天器探测相位φdet(ti)。

其中,φdet(ti)为航天器接收到的光子相位,φ0为光子序列的初相,为第k项频率系数。φpre(ti)为预估相位。

(4)通过求公式(III)的最值,计算初相φ0和第k项频率系数

其中,M为观测时段内收到的光子个数。

公式(III)中的λ(t)表达公式为

λ(t)=αh(φdet(t))+β (IV)

在公式(IV)中,α为脉冲星流量速率,β为噪声流量速率,h(·)为脉冲星的轮廓函数。

(5)根据公式(V)计算t0时刻的脉冲到达时间T0

其中,为t0时刻的航天器相对于太阳的预估速度。

与现有技术相比,本发明的优点在于:

(1)本发明提出的动态脉冲星信号处理方法充分考虑了航天器运动的影响。

由公式(1)、(2)、(6)可知,本发明提出的初相估计公式和脉冲到达时间公式均显公式包含航天器的轨道运动信息。

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