X射線脈沖星信號(hào)檢測(cè)及位相測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、脈沖星導(dǎo)航概念自提出以來，已經(jīng)經(jīng)過了近半個(gè)世紀(jì)，但直到十多年前利用X射線脈沖星導(dǎo)航定位可行性得到論證后，才逐漸受到重視。得益于其獨(dú)特的信號(hào)輻射方式以及脈沖周期的穩(wěn)定性，X射線脈沖星已成為目前人們所認(rèn)識(shí)的十分理想的天文導(dǎo)航信源，并在空間航天器自主導(dǎo)航領(lǐng)域表現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。目前，國(guó)際上已經(jīng)開展了利用X射線脈沖星的自主導(dǎo)航技術(shù)的空間試驗(yàn)研究，但這項(xiàng)新型技術(shù)仍處在基礎(chǔ)理論研究和可行性驗(yàn)證階段。特別是在國(guó)內(nèi)，有關(guān)脈沖星導(dǎo)航的實(shí)質(zhì)性的研究才剛

2、剛起步，諸如極弱X射線脈沖星信號(hào)高精度計(jì)時(shí)觀測(cè)、高效高性能位相測(cè)量、時(shí)間傳遞誤差修正等制約X射線脈沖星導(dǎo)航(XPNAV)精度提高的關(guān)鍵問題仍沒有得到很好的解決。本文主要圍繞XPNAV中的信號(hào)檢測(cè)、累積輪廓建立和位相測(cè)量等問題展開研究，主要工作內(nèi)容包括：
　　 ⑴分析了可用于脈沖星信號(hào)檢測(cè)的多個(gè)特征參量，如周期、輪廓和流量強(qiáng)度等。單獨(dú)利用周期或輪廓頻域特征檢測(cè)和辨識(shí)脈沖星信號(hào)的方法可行，但對(duì)于強(qiáng)度極弱、探測(cè)技術(shù)較為復(fù)雜的X射線脈沖

3、星信號(hào)，這些方法并不令人滿意。已有研究表明，由于頻域方法存在諧波和色噪聲等因素的影響，在對(duì)X射線脈沖星信號(hào)的檢測(cè)中存在失效的情況，而時(shí)域方法有時(shí)表現(xiàn)的更好。將累積輪廓、流量和周期三個(gè)重要特征應(yīng)用于X射線脈沖星信號(hào)檢測(cè)中，提出基于Bayesian估計(jì)的時(shí)域檢測(cè)方法。利用仿真數(shù)據(jù)和RXTE衛(wèi)星的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證顯示，該法性能優(yōu)于同類的基于高斯分布模型的檢測(cè)方法，在檢測(cè)信號(hào)的同時(shí)能在一定精度下給出信號(hào)位相偏移值。
　　 ⑵利用累積

4、輪廓進(jìn)行位相測(cè)量是XPNAV導(dǎo)航信息獲取的基本途徑，輪廓累積的重要性不言而喻。對(duì)轉(zhuǎn)化到SSB原點(diǎn)處的X射線脈沖星光子序列，傳統(tǒng)的輪廓累積方法是先識(shí)別信號(hào)周期，然后再按周期折疊累加得到脈沖輪廓。這種方法依賴于周期識(shí)別的準(zhǔn)確性，對(duì)累積輪廓質(zhì)量也無評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本文分析了脈沖星累積輪廓和周期的強(qiáng)相關(guān)性，提出了周期未知時(shí)直接進(jìn)行輪廓累積的最小熵方法，并對(duì)其進(jìn)行證明，在此基礎(chǔ)上，討論了該方法在周期識(shí)別中的作用。利用仿真數(shù)據(jù)和RXTE衛(wèi)星的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

5、驗(yàn)證了該方法的有效性。脈沖星累積輪廓通常被認(rèn)為是脈沖星輻射區(qū)結(jié)構(gòu)一維分布的反映，人們?cè)趯?duì)大量累積輪廓統(tǒng)計(jì)分析中發(fā)現(xiàn)這些輪廓均具有核成分，進(jìn)而提出利用累積輪廓的高斯成分分離方法分析脈沖星輻射區(qū)結(jié)構(gòu)。我們將高斯成分分離方法用于脈沖星累積輪廓建模，發(fā)現(xiàn)該模型可以很好地逼近標(biāo)準(zhǔn)輪廓，并將該模型用于累積輪廓位相測(cè)量的CRLB分析中，以評(píng)價(jià)累積輪廓成分對(duì)位相測(cè)量的影響。結(jié)果顯示輪廓成分間的相關(guān)性和輪廓成分寬度是影響測(cè)相精度的兩個(gè)重要因素。
　

6、　 ⑶考慮到Taylor FFT等頻域位相測(cè)量的實(shí)質(zhì)是在投影定理下用各次諧波的線性疊加對(duì)原函數(shù)擬合，提出了基于最小熵準(zhǔn)則的位相測(cè)量高斯擬合方法。實(shí)驗(yàn)說明，所提方法在相對(duì)較低信噪比條件下，性能優(yōu)于Taylor FFT方法。鑒于該方法對(duì)輪廓質(zhì)量要求較高，在實(shí)際應(yīng)用中可能造成困難，本文建立了一種新的脈沖星信號(hào)概率模型，用于描述在觀測(cè)時(shí)間內(nèi)光子到達(dá)頻度隨采樣時(shí)間的分布。分析表明該模型可以很好的刻畫輪廓形變與周期誤差間的關(guān)系。進(jìn)而本文提出基于該

7、模型的位相和位相速率聯(lián)合測(cè)量方法，將多普勒效應(yīng)視為參量，利用所提概率模型描述信號(hào)的直接累積輪廓，然后利用優(yōu)化方法求解。仿真實(shí)驗(yàn)說明該方法對(duì)累積輪廓質(zhì)量要求較低，能進(jìn)行位相和位相速率聯(lián)合測(cè)量，且位相測(cè)量精度優(yōu)于Taylor FFT方法。
　　 ⑷從XPNAV的性能來看，其定位誤差不到最小模糊距離的十分之一，因此連續(xù)正常工作時(shí)，可以不考慮整周期模糊問題。而對(duì)于初始位置未知或者因系統(tǒng)故障導(dǎo)致位置記憶喪失的情況，模糊問題是不可避免的。窮

8、舉搜索法是XPNAV常用且有效的解模糊方法，其不足之處在于復(fù)雜度高。本文提出一種快速空間搜索方法。該方法依據(jù)脈沖星的特征周期將搜索空間劃分為多個(gè)子空間，利用相位投影增量建立基于滿二叉樹的快速搜索算法遍歷子空間解模糊。仿真實(shí)驗(yàn)說明，得益于搜索空間約束和快速二叉樹搜索，該方法能有效提高模糊空間搜索速率。
　　 ⑸盡管XPNAV相對(duì)于其它天文導(dǎo)航方法優(yōu)勢(shì)明顯，但目前為止，它并不算一個(gè)成熟的導(dǎo)航方法。傳統(tǒng)的天文自主導(dǎo)航方法利用地球等對(duì)星

9、光掩蔽作用進(jìn)行軌道航天器定軌，利用星敏感器觀測(cè)恒星和地球間的角距等作為信息輸入，與XPNAV機(jī)理完全不同。為提高導(dǎo)航精度，增強(qiáng)自主性，提出一種將脈沖星位相測(cè)量和星敏感器星光角距測(cè)量結(jié)合的信息融合天文自主導(dǎo)航方法，并基于UKF(Unscented Kalman Filter)使用真軌道參數(shù)做了仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明組合兩種導(dǎo)航方法能有效提高位置和速度估計(jì)精度。進(jìn)而我們也對(duì)XPNAV與其它導(dǎo)航系統(tǒng)組合的可能性和有效性做了分析討論。