X射線脈沖星導(dǎo)航信號(hào)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(dǎo)航是一種新型的天文自主導(dǎo)航方式，能夠?yàn)榻亍⑸羁找约靶行请H航天器提供速度、位置和時(shí)間等測(cè)量信息。針對(duì)X射線脈沖星導(dǎo)航中尚未解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，本文研究了X射線脈沖星信號(hào)特性、高精度脈沖到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法、基于脈沖星信號(hào)的多普勒測(cè)速方法等問題，并發(fā)展了X射線脈沖星導(dǎo)航信號(hào)仿真技術(shù)，主要研究工作包括：
　　1.總結(jié)了X射線脈沖星導(dǎo)航中的定位與授時(shí)原理，分析了脈沖星導(dǎo)航中常用時(shí)間與坐標(biāo)系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系，詳細(xì)地闡述了將光子到達(dá)

2、時(shí)間轉(zhuǎn)換至太陽系質(zhì)心處的時(shí)間轉(zhuǎn)換方程等問題。
　　2.針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)缺乏對(duì)脈沖輪廓穩(wěn)定性系統(tǒng)的研究，設(shè)計(jì)了局部和整體指標(biāo)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(guān)系數(shù)、幅度變化系數(shù)和功率譜熵等指標(biāo)統(tǒng)計(jì)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(duì)導(dǎo)航精度的影響，并利用Crab脈沖星的11年空間觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。結(jié)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(dǎo)致的距離測(cè)量誤差為34±25 m。
　　3.針對(duì)最優(yōu)導(dǎo)航能級(jí)選取的問題，利用11年空間觀測(cè)數(shù)據(jù)，以10 keV為間隔劃分2?60 keV，分析了不同能級(jí)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(jí)對(duì)導(dǎo)航精度的影響。結(jié)果表明：對(duì)于Crab脈沖星而言，當(dāng)積分時(shí)間為50 s時(shí)，使用2-10 keV、2-20 keV、2-30keV、2-40 keV、2-50 keV和2-60 keV導(dǎo)

4、航能級(jí)時(shí)，后者相對(duì)于前者在脈沖TOA估計(jì)精度上分別提高了16.34％、1.79％、0.35％、0.13％和0.02％。
　　4.針對(duì)影響脈沖星導(dǎo)航精度的宇宙X射線背景，利用了高緯度不同空間點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)分析了宇宙X射線背景流率特性，建立了其統(tǒng)計(jì)模型，推導(dǎo)了平穩(wěn)宇宙X射線對(duì)脈沖到達(dá)時(shí)間估計(jì)精度的影響。結(jié)果表明：不同宇宙空間的X射線背景具有平穩(wěn)特性，對(duì)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(dāng)積分時(shí)間為50 s、?s?154cnts/s時(shí)，以上兩種能級(jí)宇宙X射線背景引入的距離測(cè)量誤差為2.97 km和3.9 km。
　　5.為了提高X射線脈沖TOA估計(jì)精度，研究了宇宙X射線背景和脈沖星信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特征，分析了其歷元折疊噪聲，構(gòu)造了一種加權(quán)非線性最小二乘（WNLS）估計(jì)方法，根據(jù)X射線光子信號(hào)的數(shù)學(xué)模型構(gòu)造最優(yōu)加權(quán)矩陣，并分析了方法理論精度。結(jié)果表明，提出的方法具有優(yōu)越的漸近性能，當(dāng)積分時(shí)間為10

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

7、積分時(shí)間的RXTE衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并分析了數(shù)學(xué)模型和脈沖星自行不均勻性等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。結(jié)果表明：相較于直接?2統(tǒng)計(jì)法，基于RANSAC的改進(jìn)方法在頻率搜索精度上提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)；利用Crab脈沖星的光子計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)估計(jì)得到的RXTE衛(wèi)星速度誤差約?110 m/s。
　　7.針對(duì)現(xiàn)有X射線脈沖星信號(hào)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(duì)論效應(yīng)仿真等問題，提出了一種基于可見光的半物理導(dǎo)航脈沖星信號(hào)仿真方法，設(shè)計(jì)