目录
摘要 (i)
Abstract ................................................................................................................ i i 第一章绪论 (1)
1.1 航天器自主导航概述 (1)
1.1.1 自主导航的定义及特点 (1)
1.1.2 航天器对自主导航技术的需求分析 (1)
1.1.3 航天器自主导航系统分类及发展概况 (2)
1.2 X射线脉冲星导航的发展概况 (4)
1.2.1 X射线脉冲星导航的基本概念 (4)
1.2.2 脉冲星参数测定及相关理论的研究进展 (5)
1.2.3 脉冲星导航理论的研究进展 (10)
1.2.4 X射线脉冲星导航试验及研究计划 (13)
1.3 本文的研究思路 (14)
第二章X射线脉冲星导航的相关理论 (18)
2.1 时空参考系 (18)
2.1.1 坐标系统 (18)
2.1.2 时间系统 (19)
2.2 计时模型 (22)
2.2.1 时间相位模型 (22)
2.2.2 时间转换模型 (23)
2.3 脉冲TOA计算方法 (25)
2.3.1 X射线脉冲星信号模型 (25)
2.3.2 基于历元折合的信号处理方法 (26)
2.3.3 直接利用光子TOA的信号处理方法 (28)
2.4 基于脉冲星观测的航天器定位基本原理 (28)
2.5 航天器轨道动力学 (30)
2.5.1 近地航天器轨道动力学 (30)
2.5.2 深空探测器轨道动力学 (30)
2.5.3 轨道状态转移矩阵计算 (30)
2.6 非线性滤波理论 (31)
2.6.1 扩展Kalman滤波 (32)
2.6.2 无迹Kalman滤波 (33)
3.1 X射线脉冲星可用性分析 (35)
3.1.1 太阳系天体对脉冲星的遮挡问题描述 (35)
3.1.2 航天器轨道高度及天体遮挡的影响分析 (37)
3.1.3 轨道进动的影响 (39)
3.1.4 航天器轨道的倾角和升交点的影响分析 (40)
3.2 X射线敏感器配置方案分析 (42)
3.2.1 敏感器配置方案分析 (42)
3.2.2 X射线敏感器安装个数分析 (44)
3.3 X射线敏感器指标分析 (47)
3.3.1 X射线敏感器的时间分辨率指标分析 (47)
3.3.2 X射线敏感器的有效面积指标分析 (49)
3.4 星载导航简化模型研究 (50)
3.4.1 脉冲TOA测量精度的影响分析 (50)
3.4.2 轨道动力学简化模型研究 (52)
3.4.3 观测简化模型研究 (54)
3.5 小结 (55)
第四章X射线脉冲星信号处理方法研究 (57)
4.1 脉冲星模板轮廓构建关键技术研究 (57)
4.1.1 广义时域周期搜索方法 (57)
4.1.2 基于最佳Bin数选择的轮廓构建方法 (60)
4.1.3 基于核回归的轮廓降噪方法 (63)
4.2 基于轨道动力学辅助的动态脉冲星信号处理方法 (68)
4.2.1 改进相位传播模型 (68)
4.2.2 线性化的相位传播模型 (70)
4.2.3 相位和Doppler频移估计方法 (73)
4.2.4 仿真分析 (76)
4.3 小结 (81)
第五章脉冲星计时噪声的影响分析及削弱方法研究 (83)
5.1 计时噪声建模与影响分析 (83)
5.1.1 计时噪声建模 (83)
5.1.2 对脉冲星计时的影响 (83)
5.1.3 对导航定位的影响 (84)
5.2 基于稳健估计的脉冲星计时模型参数精化方法 (86)
5.2.2 基于稳健估计的脉冲星计时 (86)
5.2.3 非高斯分布的描述及检测 (89)
5.2.4 对仿真算例的应用 (90)
5.2.5 对实测数据的应用 (93)
5.3 基于时序分析的脉冲星计时噪声预报方法 (94)
5.3.1 时序模型 (95)
5.3.2 毫秒脉冲星的计时噪声预报 (96)
5.3.3 年轻脉冲星的计时噪声预报 (99)
5.3.4 计时噪声预报对导航结果的改进 (101)
5.4 基于历元差分自适应滤波的计时噪声削弱方法 (102)
5.4.1 对计时噪声差分信号的分析 (103)
5.4.2 自适应滤波设计 (103)
5.4.3 仿真分析 (106)
5.5 小结 (107)
第六章时间转换模型误差源的传播机理及补偿方法研究 (109)
6.1 误差源建模 (109)
6.1.1 行星中心引力体位置误差 (109)
6.1.2 太阳位置误差 (110)
6.1.3 其他天体的位置误差 (110)
6.1.4 脉冲星角位置误差 (110)
6.1.5 脉冲星距离误差 (111)
6.1.6 脉冲星自行速度误差 (111)
6.1.7 星载原子钟钟差 (112)
6.2 误差源的影响 (112)
6.2.1 对时间转换模型的影响 (112)
6.2.2 对模板轮廓累积的影响 (119)
6.2.3 对导航定位的影响 (121)
6.3 主要误差源的传播特性分析 (123)
6.3.1 天体星历误差的传播特性 (123)
6.3.2 脉冲星角位置误差的传播特性 (126)
6.3.3 脉冲星距离误差的传播特性 (127)
6.3.4 星载原子钟钟差的传播特性 (127)
6.4 基于扩展状态的误差源补偿方法 (128)
6.4.2 可观性分析 (129)
6.4.3 仿真分析 (132)
6.5 基于历元差分的误差源补偿方法 (133)
6.5.1 基于多敏感器观测的历元差分方法 (133)
6.5.2 基于单敏感器观测的历元差分方法 (140)
6.6 小结 (142)
第七章以脉冲星观测为主的多测量信息融合导航方法研究 (144)
7.1 X射线脉冲星/传统天体测量信息组合导航框架 (144)
7.1.1 传统天体测量模型 (144)
7.1.2 信息融合方法 (146)
7.1.3 基于误差分离原理的系统误差补偿方法 (151)
7.1.4 仿真分析 (153)
7.2 X射线脉冲星/惯性组合导航框架 (157)
7.2.1 组合导航系统的构成 (158)
7.2.2 动力学模型 (158)
7.2.3 观测模型 (159)
7.2.4 基于最大相关熵准则的非线性信息滤波设计 (159)
7.2.5 仿真分析 (164)
7.3 小结 (165)
第八章结束语 (167)
8.1 论文的主要研究成果和创新点 (167)
8.1.1 论文主要研究成果 (167)
8.1.2 论文主要创新点 (169)
8.2 对未来研究工作的展望 (170)
致谢 (171)
参考文献 (173)
作者在读期间取得的学术成果 (184)
表目录
表1.1 美国Microcosm公司选择的8颗导航脉冲星 (6)
表1.2 Sheikh博士论文中选用的25颗导航脉冲星 (7)
表3.1 可见性使用的三颗卫星的初始轨道根数 (37)
表3.2 太阳规避角对脉冲星可见时间段百分比的影响[%] (38)
表3.3 地球、月球遮挡对脉冲星可见时间段百分比的影响[%] (39)
表3.4 三颗卫星的轨道进动速率 (39)
表3.5 轨道进动对EXPLORER 7卫星的脉冲星可见性影响[%] (40)
表3.6 轨道进动对NTS 2卫星的脉冲星可见性影响[%] (40)
表3.7 轨道进动对ATS 1卫星的脉冲星可见性影响[%] (40)
表3.8 敏感器安装方向对EXPLORER 7卫星的脉冲星可见性影响[%] (44)
表3.9 敏感器安装方向对NTS 2卫星的脉冲星可见性影响[%] (44)
表3.10 敏感器安装方向对ATS 1卫星的脉冲星可见性影响[%] (44)
表3.11 导航选用的低流量脉冲星信息 (46)
表3.12 不同脉冲TOA测量精度对应的定位和定速精度 (52)
表3.13 地球轨道航天器所受主要摄动力产生的摄动加速度[m/s2] (52)
表3.14卫星的初始轨道根数（验证简化动力学模型使用） (53)
表3.15 时间转换模型中各项的值[s] (55)
表4.1 脉冲星的模拟参数 (59)
表4.2 脉冲星PSR B1821-24的模拟参数 (64)
表4.3 四种方法性能对比 (67)
表4.4 近地航天器的初始轨道根数（E K选择使用） (71)
表4.5 深空探测器的初始轨道根数（E K选择使用） (72)
表4.6 高轨航天器的初始参数 (76)
表4.7 深空探测器的初始轨道根数 (78)
表5.1 三颗脉冲星的计时噪声功率谱模型参数 (85)
表5.2 最佳门限值 (89)
表5.3 0.3
β=时，几种估计器在情况1中的拟合误差 (91)
表5.4 0.3
β=时，几种估计器在情况2中的拟合误差 (93)
表5.5 PSR J1737+0747的参数拟合结果 (94)
表5.6 WLS和M估计器的计算时间对比 (94)
表5.7 近地航天器的初始轨道根数（验证计时噪声预报效果使用） (102)
表6.1 天体星历系统偏差的均值和方差[m]: 第一部分 (124)
表6.2 天体星历系统偏差的均值和方差[m]: 第二部分 (124)
表6.3 天体星历系统偏差的均值和方差[m]: 第三部分 (124)
表6.4 误差补偿方案的性能对比 (132)
表6.5 三颗卫星的初始轨道根数 (137)
表6.6 位置估计精度均值[m] (138)
表6.7 卫星的初始轨道信息（验证历元差分算法使用） (141)
表6.8 两种方法的定位精度对比[m] (142)
表7.1 卫星的初始轨道根数（脉冲星/星光角距组合导航系统使用） (153)
表7.2 三种导航系统的定位精度对比[m] (154)
表7.3 深空探测器的初始轨道根数（脉冲星/太阳信息组合导航系统使用） (155)
表7.4 四种导航系统的定位精度对比 (156)
表7.5 两种方案的平均可观度 (156)
表7.6 小推力轨道的限制条件 (164)
表7.7 惯导参数 (164)
图目录
图1.1 脉冲星―自转‖模型[17] (4)
图1.2 论文主要内容的组织结构 (17)
图2.1 PSR B0531+21的自转频率变化 (23)
图2.2 PSR B0531+21的自转频率导数变化 (23)
图2.3 航天器与各天体之间的位置关系 (24)
图2.4 采用不同周期折合获得的轮廓 (27)
图2.5 X射线脉冲星导航原理 (29)
图3.1 航天器轨道、遮挡天体和脉冲星方向的几何关系[17] (36)
图3.2 太阳规避角示意图 (37)
图3.3 3颗卫星对脉冲星的可见性 (38)
图3.4 25颗自转供能脉冲星在赤道坐标系上的分布 (41)
图3.5 低轨卫星的脉冲星可用个数 (41)
图3.6 高轨航天器的脉冲星可用个数 (42)
图3.7 脉冲星方向与航天器轨道坐标系之间的关系 (43)
图3.8 单敏感器方案示意图 (45)
图3.9 敏感器安装个数方案对比 (46)
图3.10 敏感器分辨率与探测到多于两个光子的概率的关系 (48)
图3.11 脉冲星流量和敏感器时间分辨率的组合对应的探测到多于两个光子的概率 (49)
图3.12 脉冲星流量和敏感器时间分辨率的组合对应的光子探测损失概率 (49)
图3.13 探测概率与敏感器有效面积的关系 (50)
图3.14 脉冲TOA测量误差对导航精度的影响 (51)
图3.15 动力学补偿法的性能分析 (54)
图4.1 PSR B0531+21的模拟轮廓 (59)
图4.2 PSR B0531+21的周期搜索结果 (59)
图4.3 似然函数随频率的变化 (60)
图4.4 利用搜索出的周期恢复的轮廓 (60)
图4.5 利用33.4ms折合的轮廓 (60)
图4.6 CV与Bin数的关系 (62)
图4.7 恢复轮廓(N b=250) (62)
图4.8 恢复轮廓(N b=50) (63)
图4.9 恢复轮廓(N b=1000) (63)
图4.11 PSR B0531+21的轮廓降噪效果对比 (66)
图4.12 PSR B1821-24轮廓降噪效果对比 (66)
图4.13 SNR的影响因素分析 (67)
图4.14 基于RXTE卫星数据的降噪结果分析 (68)
图4.15 航天器和脉冲星的几何结构图 (69)
图4.16 K=1，指标随半长轴的变化 (72)
图4.17 K=2，指标随半长轴的变化 (72)
图4.18 E k随半长轴的变化 (73)
图4.19 初相估计误差随观测周期的变化 (77)
图4.20 脉冲TOA的估计误差随观测周期的变化 (77)
图4.21 初相估计误差跟航天器初始位置误差的关系 (77)
图4.22 初相估计误差跟航天器初始速度误差的关系 (77)
图4.23 初相估计误差随航天器半长轴的变化 (78)
图4.24 CPU时间随观测周期的变化 (78)
图4.25 两种情况下的初相估计误差变化 (79)
图4.26 (1)
f的估计误差 (79)
orbit
图4.27 两种情况的定位效果对比 (80)
图4.28 两种情况的定速效果对比 (80)
图4.29 CPU时间 (80)
图4.30 航天器初始速度误差的影响 (81)
图4.31 轨道半长轴的影响 (81)
图5.1 三颗脉冲星的计时噪声 (84)
图5.2 模拟生成的计时噪声 (85)
图5.3 模拟功率谱与理想功率谱的比较 (85)
图5.4 计时噪声对导航精度的影响 (85)
图5.5 情况1模拟的非高斯分布 (91)
图5.6 当0.3
β=，非高斯环境和高斯环境下的计时噪声对比 (91)
图5.7 情况1中的参数拟合结果随β变化的变化情况 (92)
图5.8 情况2模拟的非高斯分布 (93)
图5.9 根据非高斯分布得到的计时噪声 (93)
图5.10 脉冲星PSR J1737+0747的计时噪声 (94)
图5.11 AR模型对PSR B1937+21计时噪声的拟合情况 (97)
图5.12 AR模型对PSR B1821-24计时噪声的拟合情况 (98)
图5.14 PSR B1821-24计时噪声的预报情况 (99)
图5.15 AR模型对PSR B0531+21计时噪声的拟合情况 (100)
图5.16 PSR B0531+21计时噪声的预报情况 (100)
图5.17 采用分段拟合得到的计时噪声 (101)
图5.18 频率随时间的变化 (101)
图5.19 频率一阶导数随时间的变化 (101)
图5.20 频率二阶导数随时间的变化 (101)
图5.21 计时噪声预报对导航性能的提升 (102)
图5.22 三颗脉冲星的计时噪声差分信号 (103)
图5.23 近地导航任务的性能对比 (107)
图5.24 深空导航任务的性能对比 (107)
图6.1 利用DE421-DE405近似的天体星历位置误差 (113)
图6.2 地球星历误差对时间转换模型的影响 (114)
图6.3 太阳星历误差对时间转换模型的影响 (115)
图6.4 1mas的脉冲星角位置误差对时间转换模型的影响 (117)
图6.5 30%的脉冲星距离误差对时间转换模型的影响 (118)
图6.6 1mas/year脉冲星自行速度误差对时间转换模型的影响 (119)
图6.7 2000年至2014年的地球星历误差导致的时延变化情况(DE421-DE405) . 120图6.8 历元累积对地球星历误差影响的削弱 (120)
图6.9 历元累积对脉冲星角位置误差的削弱情况 (120)
图6.10 1km地球星历对导航精度的影响 (121)
图6.11 1mas脉冲星角位置误差对导航精度的影响 (122)
图6.12 脉冲星距离存在30%误差对导航精度的影响 (122)
图6.13 1μs星载原子钟钟差对导航精度的影响 (123)
图6.14 误差补偿方案的效果对比 (132)
图6.15 历元差分观测模型和传统观测模型的系统误差对比 (134)
图6.16 历元差分方法与传统方法的性能对比 (138)
图6.17 MUKF、UKF、EKF的性能对比 (139)
图6.18 三种误差补偿方法的对比 (139)
图6.19 位置估计误差随脉冲星角位置误差的变化 (139)
图6.20 位置估计误差与过程噪声的观测噪声的关系 (140)
图6.21系统误差综合作用效果对比 (141)
图6.22 式(6.46)和式(6.92)的系统误差情况对比 (141)
图7.1 星光角距测量原理图 (145)
图7.2 太阳信息测量原理图 (146)
图7.3 联邦滤波结构图 (146)
图7.4 动静态滤波结构图 (147)
图7.5 误差分析法的框图 (152)
图7.6 组合导航系统与X射线脉冲星导航系统、星光角距导航系统的性能对比 (154)
图7.7 组合导航系统的系统误差补偿性能 (155)
图7.8 四种导航系统的性能对比 (156)
图7.9 第一个脉冲星观测周期内的误差累积 (156)
图7.10 X射线脉冲星两种不同观测方案 (157)
图7.11 导航性能随深空探测器轨道半长轴增加的变化情况 (157)
图7.12 X射线脉冲星/惯性组合导航系统框图 (158)
图7.13 滤波的高斯效率曲线 (162)
图7.14 ψ与不同的估计误差 (163)
图7.15 组合导航系统的位置估计误差 (165)
图7.16 组合导航系统的姿态估计误差 (165)
图7.17 定位性能对比 (165)
图7.18 定姿精度对比 (165)