[发明专利]一种X射线脉冲星光子序列的频域加权比相方法

说明书

技术领域

本发明属于相对导航技术领域，尤其涉及一种X射线脉冲星光子序列的频域加权比相方法。

背景技术

相对导航是航天器间执行自主交会对接、协作通信以及编队飞行等空间任务的一项关键技术。现阶段较为成熟的相对导航系统需要地面设施的辅助和支撑，具有自主性弱、抗干扰能力差和不适用深空等缺点。而基于X射线脉冲星的相对导航系统因其自主性高、可靠性好、适用性广等优点，与现有的导航系统形成优势互补，是一种全新的自主导航方法，正逐渐受到航空航天领域的高度重视和青睐。一般地，脉冲到达时间延迟量主要通过脉冲信号的延迟相位来获得，其精度直接决定了两航天器相对定位的精度。因此，如何获得高精度的比相估计便成了亟待解决的问题。经典的相位估计算法是时域互相关算法和频域TaylorFFT算法。时域互相关算法主要采用光子的经验密度函数及光子的真实密度函数间的互相关函数来得到时间延迟量，其测量的精度取决于脉冲星信号的采样频率；频域TaylorFFT主要用于射电脉冲星计时，其基本原理是对傅里叶变换后的经验速率函数和真值速率函数的差值进行最小化处理，该时间延迟量的测量精度不受时域采样频率的限制，却依赖于累积脉冲轮廓的信噪比。随后，Emadzadeh从概率统计学角度出发，直接采用测量到的光子到达时间进行延迟估计，无需再获取速率数据，免去了复杂的累积过程，并采用克拉美罗下界为其测量均方根误差的下界，分析了最大似然的测量误差渐变曲线。但总的来说，上述这些对航天器间的延迟相位方法主要采用脉冲信号的累积轮廓或直接测量得到的光子到达时间序列作为研究对象。而事实上，在对脉冲信号轮廓进行累积的过程中，由于平滑作用极易造成信号的细节信息损失而降低信噪比；如果选择直接测量得到的光子到达时间序列则会加大数据对象，给运算单元带来超重负荷而降低运算效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种X射线脉冲星光子序列的频域加权比相方法，旨在有效地保留有用信号的细节信息，降低计算复杂度，提高比相精度。

本发明是这样实现的，一种X射线脉冲星光子序列的频域加权比相方法，其特征在于，所述X射线脉冲星光子序列的频域加权比相方法是基于同一颗X射线脉冲星源，对两航天器测量到其发射的光子序列间的归一化延迟相位的测量。其主要实现方案为：首先对两航天器测量到的光子到达时间序列进行等间隔采样获取其对应的光子强度序列，经傅里叶变换将其变换到频域内；然后提取频域内光子强度序列间的相位差信息，并对出现分段的相位差进行累积，获取相位差关于对应频点的比值；最后，对频域内相位差与各频点的比值进行能量加权及比例乘法运算即可得到脉冲信号在时域内的归一化延迟相位。该方法主要基于具有非齐次泊松分布特点的脉冲信号开展的实验研究，可同样适用于与X射线脉冲星信号特性类似的周期性信号模型。又由于延迟相位与两航天器沿脉冲星矢量方向上的距离增量之间存在的固有关系可实现对航天器间相对运动状态的估计，因此该方法也可用于对位置估计精度要求十分严格的航天器交互对接、编队飞行及深空探测等领域。

进一步，所述X射线脉冲星光子序列的频域加权比相方法包括以下步骤：

步骤一，已知相同观测时间内两光子到达时间序列T₁(t)、T₂(t)，进行单位周期内等间隔采样得到对应的光子强度序列λ₁(n)、λ₂(n)(n＝1,2.,...,N)；

步骤二，对比处理器内存单元与光子强度序列长度，若N＜N₀，N₀为已知固定的阀值，则继续步骤三、步骤四、步骤五；反之，将N分成L段时间区间，每段包含M个周期，对每个时间区间内的光子强度序列依次执行步骤三、步骤四、步骤五；

步骤三，对λ₁(n)、λ₂(n)进行FFT变换得到X₁(k)、X₂(k)(k＝1,2,...,N)，λ₁(n)与λ₂(n)在时域内的超前或滞后的n₀个时间片段会反映在频域内的比相信息上；

步骤四，获取X₁(k)、X₂(k)的相位并进行做差运算得到相位差

步骤五，对相位差进行累积运算，得到累积后相位差与对应频率点的比值s(k)；

步骤六，赋予各频点处s(k)一个对应的能量权重ω(k)得到平均比值s₀，s₀乘以比例因子1/2π即可得到两光子强度序列在时域内的归一化延迟相位。