[发明专利]一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法

权利要求书

1.一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其特征在于，其以分布式布局的卫星系统为载体，所述卫星系统以星间链路互联，包括分布式布置的若干卫星，各卫星上搭载以下单元：

高精度时间同步计时系统，用于为整个系统提供统一的时间基准和高精度计时；

脉冲星探测载荷单元，用于对脉冲星的探测，获取脉冲星到达卫星的光子到达时间序列信息；该光子序列以脉冲星周期进行轮廓折叠，生成观测脉冲轮廓；

星光矢量敏感载荷单元，用于对恒星矢量的观测；

地球敏感载荷单元，用于对地心矢量的提取；

星间链路载荷单元，用于实现卫星之间的通信和测距；基于其测量信息，实现卫星对脉冲星测量和星光角距的数据融合，所述星光角距由星光矢量和地心矢量构建。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其特征在于：所述脉冲星探测载荷单元搭载于分布式布置的各卫星上，或搭载于至少一个实现脉冲相位估计的卫星上。

3.一种脉冲星自主导航脉冲相位估计方法，其采用如权利要求1或2所述的脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其特征在于：其包括如下的步骤：

A1：以S1，S2,Si……SN代表各卫星，脉冲星探测载荷单元、星光矢量敏感载荷单元、地球敏感载荷单元对恒星观测矢量为s_i,i＝1,2,...，对地心观测矢量为e_j,j＝1,2...，各卫星通过对恒星和地球观测合成的星光角距为θⁱ,i＝1,2,...；

A2：在某时刻t0：利用脉冲星探测器接收到的脉冲星光子到达时间序列，按照脉冲星周期Ps以柱状图的形式将光子到达时间序列折叠到第一个脉冲周期中，获得观测轮廓p(t)；

A3：进行高精度脉冲相位估计。

4.根据权利要求3所述的一种脉冲星自主导航脉冲相位估计方法，其特征在于：步骤A2的具过程包括：

B1：以t0为起始点，将到达时间大于一个Ps的脉冲星光子序列对Ps取余数，该余数对应地插入到t0到t0+Ps的时间段中，从而获得分布于t0到t0+Ps时间段的光子点；

B2：以bin为宽度，画柱状统计图，纵坐标为落在该bin内的光子的个数；

B3：柱状统计图的幅值序列即为轮廓在bin上的观测值p(k)，其连续化的形式为p(t)；

B4：将bin视为滤波步长k，每个bin对应的轮廓值p(k)作为该bin上的脉冲轮廓观测值；

B5：利用星光矢量敏感载荷和地球敏感载荷探测合成星光角距θⁱ,i＝1,2,...，星光测量的方向尽可能多样，星光角距的数量尽可能多；对每一个bin，将星光角距观测值随机地与该bin上的脉冲轮廓观测值进行匹配，构成二维观测组合(p(k),θ^k)；

B6：结合标准轮廓信息，构建卡尔曼滤波器，进行滤波计算，收敛后得到该时刻的脉冲相位值，具体为：

脉冲星标准轮廓s_p(t)和相位函数可以通过地面和在轨长时间的观测获得，是脉冲星导航的基础；卫星在进行在轨脉冲星自主导航时，通过利用星上探测器探测脉冲星光子到达时间信息，大尺度时空转换到SSB处并折叠成轮廓，进而与标准轮廓作比较获得相位信息，观测轮廓可以建模为：

p(t)＝as_p(t-τ_p)+b+v_p (1)

其中，a代表折叠轮廓的幅值系数，可通过对折叠轮廓进行归一化折算为1，b体现为观测轮廓由于轮廓折叠中噪声影响引起的整体上移，视为常值，τ_p为脉冲时延可转化为脉冲相位Φ(即为待估计的参数)，v_p为探测器及背景等效高斯白噪声；

卫星通过星光矢量敏感载荷观测恒星得到星光观测矢量，通过地球敏感载荷敏感地平并计算获得地心矢量，可以构建对恒星和地心的星光角距观测量；由几何关系可知，恒星-地心星光角距θ为位置的函数，可建立观测方程为：

其中，θⁱ为分布式卫星系统中第i个恒星-地心星光角距；sⁱ为所观测的某已知恒星i的单位星光矢量，r_sat为太阳系质心坐标系(SSB系)下卫星位置矢量，符号表示大尺度时空转换，表示SSB系下对r_sat的估值，表示位置估计误差，Φ＝[Φ₁ Φ₂ Φ₃]^T为三颗脉冲星矢量方向上的待估计相位，P_s＝[P_s1 P_s2 P_s3]^T为三颗脉冲星周期，n＝[n₁ n₂n₃]^T为三颗脉冲星单位矢量，为第i个星光角距对应的卫星与实现融合相位估计的卫星之间的星间相位差，c为光速，L_is为该卫星与卫星S1的星间距离在被观测脉冲星方向上的距离投影，所述S1为进行导航计算的主卫星，f_s为脉冲星发射的脉冲频率，v_θ为测量噪声；

对于进行三个方向脉冲星观测的卫星，令代表三个脉冲星标准轮廓，J＝[J¹ J² J³]^T代表对三个标准轮廓求导得到的函数，b＝[b¹ b² b³]^T为三个观测轮廓的上移量，则可以建立状态方程为

如前所述，利用脉冲星观测轮廓p和星光角距θ，通过几何关系，可构建观测方程为：

令X^φ＝[s_p,Φ,b]^T，Y^φ＝[p,θ]^T，则以上方程可整理为：

Y^φ＝g^φ(X^φ)+V^φ (6)

其中，U^φ＝[J O_3×1 O_×3]₁^T，g^φ(·)为非线性观测方程，W^φ＝[w_p O_3×1 O_3×1]^T和分别为状态噪声和观测噪声，等效为高斯白噪声；

根据以上状态方程和观测方程，利用Kalman滤波器对脉冲相位Φ进行估计。

5.根据权利要求4所述的一种脉冲星自主导航脉冲相位估计方法，其特征在于：步骤A3的具过程包括：

C1：以星上高精度时钟计时与同步系统为时间基准，使分布式系统中各卫星保持良好的时间同步性和计时准确性；以某负责任务调度的卫星开启任务，任务起点设为t0，开展对脉冲星辐射信号的观测累积，在各卫星上同步开展星光矢量和地心矢量观测以及星间距离和卫星S1的方向矢量观测；

C2：卫星S1以t0时刻为基准，将脉冲星探测的光子到达时间序列信息以一定数量的bin合成轮廓，获得N1个轮廓幅值观测量p(k),k＝1...N1

C3：在t0时刻，各卫星利用其观测到的星光矢量和地心矢量合成星光角距信息，并与该时刻的星间距离数据一同打包发送给卫星S1；

C4：卫星S1利用收到的星光角距信息和脉冲星观测轮廓，对应轮廓的每个bin，构建观测组合(p(k),θ^k)，并构建如式(4)的观测方程和式(3)的状态方程，将bin视为滤波步长k，利用Kalman滤波器进行计算，获得高精度脉冲相位估计值。