基于X射線脈沖星的導航星座定向參數(shù)確定方法研究.pdf

1、對于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)來說，導航衛(wèi)星在軌運行均依賴于地面測控站，這不僅增加了地面系統(tǒng)工作負擔和長期維持費用，而且易受人為干擾，不具有長期自主生存能力。論文以實現(xiàn)星座自主導航為目的，圍繞星座定向參數(shù)確定領域中的關(guān)鍵技術(shù)問題，系統(tǒng)地研究了利用星座基線矢量的方向觀測解決星座整體旋轉(zhuǎn)的理論與方法，提出基于X射線脈沖星相對觀測的星座定向參數(shù)確定方案與模型，建立基線優(yōu)化與脈沖星選星優(yōu)化模型，并搭建半實物仿真系統(tǒng)。全文主要研究成果如下：
　　一、

2、系統(tǒng)研究了利用星座基線矢量方向觀測解決星座整體旋轉(zhuǎn)的理論、模型和算法。
　　針對星座中測距衛(wèi)星所處軌道面的異同，研究基于星間測距的星座自主導航，從而引出星座整體旋轉(zhuǎn)問題，并利用星座定向參數(shù)描述星座整體旋轉(zhuǎn)。提出基于基線矢量方向觀測的星座定向參數(shù)確定理論、模型及算法。
　　二、提出了基于X射線脈沖星相對觀測確定星座定向參數(shù)的方案、模型與算法。
　　結(jié)合星座基線矢量方向觀測解決星座整體旋轉(zhuǎn)的思想，以 X射線脈沖星信號的相對

3、觀測為導航測量手段，提出了單基線雙方向觀測方案和單基線單方向觀測方案。針對兩種總體方案，在分析各種因素對脈沖星相對觀測影響的基礎上，建立了系統(tǒng)的測向觀測數(shù)學模型。采用偏導數(shù)解析方法，分析利用脈沖星相對觀測確定星座定向參數(shù)的可行性，采用PWCS可觀性分析方法，從理論上證明上述兩種方案的可觀性。
　　采用UKF濾波算法完成星座定向參數(shù)確定，并利用后驗Cramer-Rao下限分析了系統(tǒng)理論精度?；谟^測方程模塊化思想，提出基于聯(lián)邦卡爾曼

4、濾波的星座定向參數(shù)確定算法。采用數(shù)字仿真與理論分析的手段，分析了影響測向精度的主要因素。
　　三、研究了基于脈沖星的星座定向參數(shù)確定基線優(yōu)化與脈沖星優(yōu)選問題
　　針對已給定的混合星座構(gòu)型，利用遺傳算法的優(yōu)化模型，以測向精度方差最小為系統(tǒng)適應度評價函數(shù)，以衛(wèi)星編號作為優(yōu)化參數(shù)，建立了基線矢量優(yōu)化模型，獲得測向精度最優(yōu)的衛(wèi)星編號和衛(wèi)星狀態(tài)。
　　當星座基線矢量確定的情況下，采用二次序列規(guī)劃理論，將脈沖星在三個方向上的分量作

5、為優(yōu)化變量，以測向精度為優(yōu)化目標函數(shù)，獲得最佳觀測方位，并尋找離最佳位置最近的脈沖星源。
　　四、搭建了X射線脈沖星導航半實物仿真系統(tǒng)中的光子時間和能譜測量單元
　　提出 X射線脈沖星導航半實物仿真系統(tǒng)整體方案。重點研究了半實物仿真系統(tǒng)中的導航探測模塊，設計并實現(xiàn)了光子能量與到達時間測量。該系統(tǒng)可以同時精確測量光子能量分辨和光子到達探測器時間。利用該探測模塊的能量分辨功能，可以消除與有用信號能量段不同的背景噪聲光子，從而提高