X射線脈沖星導航信號特性分析及具有多物理特性的仿真系統(tǒng)研究.pdf

1、X射線脈沖星導航是一種新型的天文自主導航方式，能夠為近地、深空以及行星際航天器提供速度、位置和時間等測量信息。針對X射線脈沖星導航中尚未解決的關鍵技術問題，本文研究了X射線脈沖星信號特性、高精度脈沖到達時間估計方法、基于脈沖星信號的多普勒測速方法等問題，并發(fā)展了X射線脈沖星導航信號仿真技術，主要研究工作包括：
　　1.總結了X射線脈沖星導航中的定位與授時原理，分析了脈沖星導航中常用時間與坐標系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換關系，詳細地闡述了將光子到達

2、時間轉(zhuǎn)換至太陽系質(zhì)心處的時間轉(zhuǎn)換方程等問題。
　　2.針對現(xiàn)有文獻缺乏對脈沖輪廓穩(wěn)定性系統(tǒng)的研究，設計了局部和整體指標體系，分別從輻射流率、脈沖輻射比、脈沖寬度、峰值幅度比、峰值相位差、輪廓信噪比、幾何因子、Pearson相關系數(shù)、幅度變化系數(shù)和功率譜熵等指標統(tǒng)計了Crab脈沖輪廓變化，引入了克拉美-羅理論，量化了脈沖輪廓變化對導航精度的影響，并利用Crab脈沖星的11年空間觀測數(shù)據(jù)進行分析驗證。結果表明：Crab脈沖輪廓不存在系

3、統(tǒng)性變化，具有長期穩(wěn)定性，其內(nèi)稟穩(wěn)定性導致的距離測量誤差為34±25 m。
　　3.針對最優(yōu)導航能級選取的問題，利用11年空間觀測數(shù)據(jù)，以10 keV為間隔劃分2?60 keV，分析了不同能級脈沖輪廓的特征，并從幾何因子和信噪比的角度，研究了各能級對導航精度的影響。結果表明：對于Crab脈沖星而言，當積分時間為50 s時，使用2-10 keV、2-20 keV、2-30keV、2-40 keV、2-50 keV和2-60 keV導

4、航能級時，后者相對于前者在脈沖TOA估計精度上分別提高了16.34％、1.79％、0.35％、0.13％和0.02％。
　　4.針對影響脈沖星導航精度的宇宙X射線背景，利用了高緯度不同空間點的觀測數(shù)據(jù)，重點分析了宇宙X射線背景流率特性，建立了其統(tǒng)計模型，推導了平穩(wěn)宇宙X射線對脈沖到達時間估計精度的影響。結果表明：不同宇宙空間的X射線背景具有平穩(wěn)特性，對于2-10 keV和2-60 keV，宇宙X射線背景流率分別為49 cnts/s

5、和215 cnts/s；當積分時間為50 s、?s?154cnts/s時，以上兩種能級宇宙X射線背景引入的距離測量誤差為2.97 km和3.9 km。
　　5.為了提高X射線脈沖TOA估計精度，研究了宇宙X射線背景和脈沖星信號的統(tǒng)計特征，分析了其歷元折疊噪聲，構造了一種加權非線性最小二乘（WNLS）估計方法，根據(jù)X射線光子信號的數(shù)學模型構造最優(yōu)加權矩陣，并分析了方法理論精度。結果表明，提出的方法具有優(yōu)越的漸近性能，當積分時間為10

6、00 s時，假定背景光子流率為1.62×10-2cnts/cm2/s，信噪比SNR為5 dB時，WNLS方法在估計精度上和ML方法保持一致，但CPU計算時間僅為ML方法的0.007倍。
　　6.針對航天器速度測量的問題，研究了利用X射線脈沖星信號Doppler頻移的測速方法，建立了廣義相對論框架下的X射線脈沖信號的Doppler速度測量模型，提出了基于RANSAC的?2統(tǒng)計方法，以解決低信噪比下脈沖星信號頻率估計問題，利用兩組不同

7、積分時間的RXTE衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行實驗，并分析了數(shù)學模型和脈沖星自行不均勻性等對實驗結果的影響。結果表明：相較于直接?2統(tǒng)計法，基于RANSAC的改進方法在頻率搜索精度上提高了兩個數(shù)量級；利用Crab脈沖星的光子計時數(shù)據(jù)估計得到的RXTE衛(wèi)星速度誤差約?110 m/s。
　　7.針對現(xiàn)有X射線脈沖星信號仿真系統(tǒng)中存在的脈沖輪廓精度差、自轉(zhuǎn)周期不穩(wěn)定和缺乏相對論效應仿真等問題，提出了一種基于可見光的半物理導航脈沖星信號仿真方法，設計