[发明专利]一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法

说明书

本发明属于空间飞行器脉冲星自主导航技术领域，提供一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法，其以分布式布局的卫星系统为载体，包括高精度时间同步计时系统，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，星间链路载荷单元。本发明还提出脉冲观测轮廓和星光角距新的融合方法，该方法是一种脉冲星和星光角距的深度融合方法，能够有效利用具有星间链路的各种类型的卫星，搭载具有本发明需要功能的载荷，实现脉冲相位估计。本发明通过引入同一时刻的多个星光角距测量值，能够实现轮廓幅值按bin滤波，实现高精度脉冲相位融合估计。

技术领域

本发明属于空间飞行器脉冲星自主导航技术领域，具体涉及一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法。

背景技术

脉冲星自主导航技术是卫星实现自主导航的新手段。在卫星利用脉冲星实现自主导航的过程中，对脉冲在参考点的相位进行估计是关系导航精度的关键技术。目前，脉冲星导航主要针对独立卫星开展研究，进行导航和脉冲相位估计也是基于独立卫星上搭载的脉冲星探测器及其数据处理软硬件系统。对于脉冲相位的估计方法主要有：最小二乘法、最小方差法、最大相关法、最大似然法、频域相关法以及相关的改进方法等。

近年来，为了提高脉冲星自主导航的精度，国内外技术人员开展了大量组合导航研究，将脉冲星导航与其他导航方式相融合，得到更高的导航精度。例如，采用脉冲星与星光角距组合导航方式，将脉冲相位观测量与星光角距观测量进行融合计算得到卫星位置。其方法特点是需要卫星分别获得脉冲相位与星光角距，然后进行融合计算。也就是说，脉冲相位的提取与星光角距无关，二者是独立的。星光角距不对脉冲相位估计精度提升有贡献，其主要作用在于星光角距与脉冲相位共同构成位置观测方程，与卫星运动学状态方程进行融合，实现对定位精度的提升。该方法本质上是在融合定位的层面上实现导航定位的松耦合组合导航。

基于星间链路的分布式脉冲星导航也是近年来的研究热点。星间链路为分布式卫星系统的通信、测距和时钟同步提供了手段。分布式脉冲星自主导航利用不同的卫星分别对不同脉冲星进行观测，获得脉冲相位观测量，基于星间链路测量数据，在数据处理单元中对不同的脉冲星相位观测量进行统一处理，从而实现导航定位。如何实现基于星间链路的分布式脉冲星导航目前尚未有行之有效的方法。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其具体技术方案如下：

一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，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。

优选的方案中，所述脉冲星探测载荷单元搭载于分布式布置于各卫星上，或搭载于至少一个实现脉冲相位估计的卫星上。

一种脉冲星自主导航脉冲相位估计方法，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