[发明专利]一种基于动态脉冲累积窗口的X射线脉冲星导航方法

说明书

本发明涉及一种基于动态脉冲累积窗口的X射线脉冲星导航方法，属于航天器制导、导航与控制领域，有别于目前X射线脉冲星导航方法中对X射线脉冲星光子信号进行固定窗口累积的方式，本发明采用动态设置的脉冲累积窗口，随着X射线光子脉冲采样的更新，可根据信号累积信噪比和观测更新频率的需要，与滤波递推计算的过程同步地调整累积窗口位置，同时更新脉冲轮廓累积数据，提高导航观测更新频率。本发明可以有效解决传统X射线脉冲星光子信号固定窗口累积方式中无法有效抑制随机误差、轨道外推误差影响过大、脉冲累积窗口设置不灵活等问题，提高导航精度和稳定性。

技术领域

本发明涉及一种基于动态脉冲累积窗口的X射线脉冲星导航方法，属于航天器制导、导航与控制领域。

背景技术

X射线脉冲星能够发射具有稳定周期的X射线脉冲信号，是理想的导航天体源，被誉为“宇宙中的灯塔”、“自然界的天体钟”。航天器上的脉冲到达时间观测量反映了航天器惯性位置矢量在脉冲星视线矢量上的投影，可用于确定航天器的位置和速度。近年来，X射线脉冲星导航已成为航天器自主导航领域的研究热点，理论方法不断完善。与此同时，X射线探测器技术也有了日新月异的发展，在探测灵敏度提高的同时，其质量和体积不断减小，已进入试验验证阶段，X射线脉冲星导航技术的发展前景十分可观。

导航精度是制约X射线脉冲星导航技术应用的瓶颈之一，导航精度取决于测量精度、模型精度、计时精度等方面。从验证导航方案可行性的角度出发，需要重点关注系统模型精度、测量信息精度对导航精度甚至稳定性的影响，集中体现在脉冲轮廓累积观测方法、轨道外推模型等方面。

调研表明，目前国内外脉冲星绝对导航算法方案中均采用了基于脉冲累积进行相位比较的方式产生导航测量。该方式首先在某个脉冲星观测时段内，通过航天器上的X射线探测器记录X射线脉冲光子到达时间(TOA)，同时将通过轨道外推获得的位置信息用于建立时间转换方程，对光子TOA观测量进行时间转换；其次，基于经过转换的光子TOA数据，通过周期折叠方法获得观测脉冲轮廓；再次，比对观测脉冲轮廓和标准脉冲轮廓模版，得到的脉冲到达时间差(TDOA)；最后，结合航天器轨道动力学模型，通过滤波算法处理脉冲TDOA，获得航天器位置和速度的估计值。

上述基于脉冲累积进行相位比较的方式具有误差反馈直接的特点，针对长期项偏差具有较好的校正能力。然而，结合目前实际应用的情况，主要的问题在于：测量间隔长，脉冲累积固定，脉冲累积完成后才用于测量更新。这些因素造成的负面影响包括：一方面，目前的测量校正方式更新频率低，对于测量信息中随机误差的抑制能力较弱。因此，最终影响到定位精度的误差中，随机残留误差仍将保持在原始导航观测测量随机误差的水平。另一方面，由于测量间隔长，轨道外推误差将在测量间隔期间不断增大，导致光子TOA转换出现偏差，进而引起脉冲轮廓累积误差，直接影响最终导航测量精度。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于动态脉冲累积窗口的X射线脉冲星导航方法，提高导航观测信息利用效率和测量更新频率，改善X射线脉冲星导航的精度和稳定性。

本发明的技术解决方案是：一种基于动态脉冲累积窗口的X射线脉冲星导航方法，包括：初始化阶段、状态预测阶段、光子测量处理阶段、脉冲轮廓动态累积阶段、TDOA求解阶段、滤波估计阶段。

所述初始化阶段步骤如下:

(1)设置光子测量参数，包括：当前累积初始时刻t₀；发出光子的脉冲星的信号周期T_p，简称为脉冲信号周期，T_p为正数；每个脉冲周期内的时间窗格数N_b，N_b为正整数。设置轮廓累积参数，包括：累积脉冲周期数N_p，N_p为正整数。

(2)定义状态变量x：

x＝[r v]^T