[发明专利]一种X射线脉冲星导航信号整周模糊度检测与估计方法

摘要

本发明提供一种X射线脉冲星导航信号整周模糊度检测与估计方法。技术方案是一个递推解算过程，在任意的测量数据获取时刻k,k＞0，首先修正XNAV信号整周模糊度，然后估计航天器轨道和接收机钟差，利用TDOA测量残差采用稀疏寻优方法检测XNAV信号的整周模糊度，再采用标准Kalman滤波方法估计XNAV信号的整周模糊度的浮点解，最后采用四舍五入的取整运算计算k时刻的整周模糊度。本发明过程实现简单，实时性强，并可有效降低检测的漏警率和虚警率，提高整周模糊度检测的稳健性和整周模糊度估计的精度。

主权项

一种X射线脉冲星导航信号整周模糊度检测与估计方法，X射线脉冲星导航记为XNAV，已知XNAV系统具有N颗脉冲星的测量通道，各测量通道的信号积累周期为ΔT_i,i＝1,…,i,N，第i个测量通道即第i颗脉冲星的TDOA测量的信号周期为T_i，，其中TDOA表示到达时间差，第i颗脉冲星TDOA测量的噪声标准差为σ_i，第i颗脉冲星TDOA测量的整周模糊度估计值的初值在任意的测量数据获取时刻k,k＞0，航天器接收到N颗X射线脉冲星的TDOA测量值t_i,k，其特征在于，进行下述处理步骤：步骤一：修正XNAV信号整周模糊度：将TDOA测量值t_i,k减去k‑1时刻的整周模糊度估计值得到TDOA测量修正量t'_i,k；步骤二：估计航天器轨道和接收机钟差：根据航天器轨道动力学特征和接收机钟差的时间演化特性，采用典型的脉冲星非线性导航滤波方法设计航天器状态滤波器，以TDOA测量修正量t'_i,k为滤波器输入，估计航天器状态X_k＝[r_k,v_k,τ_k]^T，其中r_k表示k时刻航天器的轨道位置，v_k表示k时刻航天器的轨道速度，τ_k表示k时刻的导航接收机钟差，并记滤波输出的第i颗脉冲星TDOA测量残差为Δt_i,k；步骤三：检测XNAV信号的整周模糊度：计算第i颗脉冲星的归一化TDOA测量残差y_i,k：y_i,k＝Δt_i,k/σ_i              （公式一）对y_k＝[y_1,k,…,y_i,k…,y_N,k]采用基于匹配追踪的稀疏寻优方法获得y_k中幅度大于α||y_k||的分量，相应通道的脉冲星组成k时刻可能存在整周模糊度的待选脉冲星序列；其中，稀疏度百分比α作为稀疏度标准，根据实际情况确定且0＜α＜1；当k＜5时，各通道TDOA测量的整周模糊度估计值保持为初值0，结束k时刻的数据处理步骤，转入k+1时刻的数据处理步骤；当k≥5时，若某脉冲星在最近5个数据获取时刻有不少于3次位于待选脉冲星序列内，则判定该脉冲星在k时刻的TDOA测量存在整周模糊度；步骤四：估计XNAV信号的整周模糊度：将k时刻XNAV信号的整周模糊度S_k＝[s_1,k,…s_i,k,…,s_N,k]作为TDOA测量的系统误差，建立如下的整周模糊度状态方程：S_k＝C_kS_k‑1+U_k                （公式二）其中C_k为N×N的对角矩阵，步骤三判定在k时刻存在整周模糊度的脉冲星序号对应的C_k对角元素取值为1，否则取值为0，S_k‑1为k‑1时刻XNAV信号的整周模糊度，U_k＝[u_1,k,…u_i,k,…,u_N,k]为零均值高斯白噪声向量，其第i个元素u_i,k的标准差为βσ_i，其中比例系数β可根据实际情况确定；建立k时刻的整周模糊度测量方程：Δt_i,k＝s_i,k+ε_k i＝1,2,...,N      （公式三）其中ε_k是标准差为σ_i的零均值高斯白噪声向量；利用公式二和公式三采用标准Kalman滤波方法，估计得到XNAV信号的整周模糊度浮点解最后计算k时刻的第i颗脉冲星整周模糊度如下：${\hat{s}}_{i,k}=\mathrm{round}({{\hat{s}}^{\text{'}}}_{i,k}/T_i)\·T_i$（公式四）其中round表示四舍五入的取整函数。