一種x射線脈衝星導航脈衝toa的確定方法

2023-09-19 21:41:15

一種x射線脈衝星導航脈衝toa的確定方法
【專利摘要】本發明涉及一種X射線脈衝星導航脈衝TOA的確定方法，該方法首先根據觀測時間內得到的光子序列，在選取的摺疊周期內進行脈衝輪廓摺疊，並且進行歸一化得到歸一化強度矢量，再對該歸一化強度矢量的協方差矩陣進行特徵子空間分解得到噪聲子空間矩陣，並根據標準脈衝輪廓構造搜索向量，然後由該噪聲子空間矩陣和搜索矢量得到脈衝TOA的譜，並通過對脈衝TOA的譜進行譜峰值搜索得到脈衝TOA的值；該方法基於特徵子空間分解進行脈衝TOA確定可以有效提高脈衝TOA的計算精度，並採用脈衝輪廓摺疊提高脈衝輪廓估計值與標準脈衝輪廓的逼近程度，從而提高觀測時間內的脈衝TOA計算精度。
【專利說明】-種X射線脈衝星導航脈衝TOA的確定方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及太空飛行器自主導航【技術領域】，特別涉及一種X射線脈衝星導航脈衝Τ0Α 的確定方法。

【背景技術】
[0002] X射線脈衝星導航（XPNAV)是一種新概念的太空飛行器自主導航技術，能夠為近地軌 道、深空和星際空間飛行的太空飛行器提供位置、速度、時間和姿態等豐富的導航信息，具有重 要的工程應用價值和戰略研究意義，備受國際航天機構關注。從公開報導來看，X射線脈 衝星導航最知名的計劃是2004年美國國防先進技術發展局啟動的"X射線導航與自主定 位"（XNAV)研究計劃，該計劃目前已完成可行論證、關鍵技術攻關與地面驗證，即將在國際 空間站和高軌道衛星上開展空間飛行試驗。其它公開的脈衝星導航計劃還包括，2004年歐 洲空間局（ESA)在ARIADNA空間技術預研計劃支持下啟動的"ESA深空探測器脈衝星導航 研究計劃"，進行了可行性研究；日本、俄羅斯和澳大利亞等國家也開展了相關的研究。
[0003] XPNAV的基本原理是將X射線脈衝星到達太空飛行器的到達時間（Τ0Α)作為基本觀測 量，利用建立在基準點（太陽系質心）的時間模型，計算同一脈衝到達基準點的Τ0Α，利用脈 衝Τ0Α觀測量與預測模型之間的差值，通過一定的導航算法，獲得觀測時刻太空飛行器相對基 準點的位置。因此只有進行精確的脈衝Τ0Α確定，才能進行後續的太空飛行器導航定位。
[0004] 脈衝Τ0Α是XPNAV的基本觀測量，其確定精度是決定XPNAV定位、測速和定時精 度的主要因素，如何高精度的求解脈衝Τ0Α是XPNAV的一個十分重要的問題。Emadzadeh A A等人提出了 一系列的脈衝Τ0Α確定方法，在文獻"Emadzadeh A A, Speyer J L. On modeling and pulse phase estimation of X-ray pulsars.IEEE Transactions on Signal Processing，2010, 58(9) :4484 - 4495"和文獻"Emadzadeh A A，Speyer J L· X-Ray Pulsar-Based Relative Navigation using Epoch Folding. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2011:0018-9251 " 中提出將到達光子進行歷兀摺疊 得到摺疊輪廓，前者利用非線性最小二乘估計而後者利用互相關技術實現摺疊輪廓與標 準輪廓的對比，得到脈衝Τ0Α的值；文獻"Emadzadeh A A，Speyer J L. Asymptotically efficient estimation of pulse time delay for X-ray pulsar based relative navigation. In: AIAAGN&C Conference，Chicago, IL，2009:1-12" 中基於最大似然原 理，提出直接利用光子數據通過最大化似然函數求得脈衝TOA的值。文獻"Golshan A R，Sheikh S I. On pulse phase estimation and tracking of variable celestial X-ray sources. In: ION 63rd Annual Meeting，Cambridge，MA，2007:413 - 422" 提出利 用柵格化搜索的數值算法來完成似然函數的最大化。Rinauro S等人在文獻"Rinauro S，Colonnese S,ScaranoG. Fast near-maximum likelihood phase estimation of X-ray pulsars. Signal Processing，2013, 93 (1) : 326-331 " 中將脈衝 TOA 確定問題重構為一 個循環移位參數估計問題，然後利用離散傅立葉變換完成似然函數的最大化，得到脈衝 Τ0Α的值。在國內，學者們也提出了一些高精度的脈衝Τ0Α確定方法。謝振華等人在文 獻"謝振華，許錄平，倪廣仁.基於雙譜的脈衝星累積脈衝輪廓時間延遲測量.物理學 報，2008, 57(10) :6683-6688"中利用雙譜抑制高斯噪聲，在低信噪比下也具有較高的估計 精度，但是該方法是針對射電脈衝星累積輪廓的脈衝TOA確定提出的，並不適用與XPNAV ; 蘇哲等人在文獻"蘇哲，許錄平，王婷等.一種新的脈衝星累積脈衝輪廓時間延遲測量算 法.宇航學報，2011，32 (6) :1256-1261. "中提出了 一種粗略估計和精確測量相結合的 XPNAV脈衝TOA確定方法，通過拋物面內插法來提高精度。
[0005] 但是，為了獲得更好的導航效果，現有的脈衝Τ0Α確定方法的精度仍有待進一步 提1?。


【發明內容】

[0006] 本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種X射線脈衝星導航脈衝Τ0Α的 確定方法，該方法基於特徵子空間分解進行脈衝Τ0Α的確定，可以有效提高脈衝Τ0Α的計算 精度，並採用脈衝輪廓摺疊提高脈衝輪廓估計值與標準脈衝輪廓的逼近程度，從而提高觀 測時間內的脈衝Τ0Α的計算精度。
[0007] 本發明的上述目的是通過如下技術方案予以實現的：
[0008] -種X射線脈衝星導航脈衝Τ0Α的確定方法，包括下列步驟：
[0009] (1)、根據設定的觀測脈衝星序號，得到所述脈衝星的脈衝周期P和標準脈衝輪廓 S(t)；
[0010] (2)、從觀測時間起點％開始，利用探測器接收光子，並記錄所述光子的到達時 間，在設定的觀測時間τ咖內，得到光子序列T g = [ τ τ 2,…，τ k,…，τ Ng]T，其中τ k為 第k個光子到達探測器的時間，k = 1、2、···、Ng，Ng為觀測過程中所述探測器接收到的光 子總數；
[0011] (3)、根據步驟（2)得到的光子序列，進行光子曆元摺疊並進行歸一化，得到摺疊 輪廓歸一化強度矢量

【權利要求】
1. 一種X射線脈衝星導航脈衝TOA的確定方法，其特徵在於包括下列步驟： (1) 、根據設定的觀測脈衝星序號，得到所述脈衝星的脈衝周期P和標準脈衝輪廓 S(t)； (2) 、從觀測時間起點τ ^開始，利用探測器接收光子，並記錄所述光子的到達時間，在 設定的觀測時間，得到光子序列Tg= [τ^，τ2，···，Tk，···，TNg]T，其中T k為第k個 光子到達探測器的時間，k= 1、2、…、Ng，Ng為觀測過程中所述探測器接收到的光子總數； (3) 、根據步驟（2)得到的光子序列，進行光子曆元摺疊並進行歸一化，得到摺疊輪廓 的歸一化強度矢量R = [ri，r2，…，rN]T，具體處理過程如下： (3a)、在觀測時間段τ ^?τ f τ 內選取摺疊起點為τ Μ，並以脈衝周期P為摺疊周 期，得到摺疊時間段τ Qf?τ Qf+P，其中τ。彡τ Qf彡τ。+ τ Qbs-P ; (3b)、將步驟（3a)得到的摺疊時間段均勻劃分為N個摺疊時間格，其中，第n個摺疊時 間格為TQf+(n-l)Tb? TQf+nTb，其中，η = 1，2,…，仏所述摺疊時間格長度6 = (3c)、在k= 1、2、…、哚時，根據如下判斷方法確定各光子到達時間在摺疊時間段內 的位置，並統計得到各摺疊時間格內的光子數： 如果第k個光子到達探測器的時間τ k滿足條件：lk., ?
<〃〃,,，貝1J判斷所 述第k個光子到達時間τ k位於第η個摺疊時間格內，並將所述第η個摺疊時間格內的光子 數C (η)加1 ;其中
計算結果的小數部分的數值，C (η)的初始值為0 ; (3d)、對步驟（3c)中統計得到的各摺疊時間格內的光子數進行如下的歸一化處理，得 到摺疊輪廓歸一化強度矢量R= [ri，r2，…，rN]T，其中：
其中，〇^為0(1)、(：(2)、?、(：(唚內的最小值； (4) 、根據步驟（3)得到的摺疊輪廓歸一化強度矢量R= [ri，r2，…，rN]T，計算協方差矩 陣識==Λ · f，並對所述協方差矩陣μ進行特徵值分解得到N個特徵值，以及所述N個特徵值 對應的Ν個特徵矢量；其中，所述Ν個特徵值由大到小依次為λρ λ2、…、λΝ，即λ，λ2>… >λΝ;%特徵值應的特徵向量依次為 U1、U2、···、％; (5) 、根據步驟（4)中得到的特徵向量u2、u3、…、uN，得到噪聲子空間矩陣U= [u2，u3，… ,%]； (6) 、根據步驟⑴得到的標準脈衝輪廓S(t)構造搜索向量A(Φ1)、A(Φ2)、···、 Α(Φη)、...、Α(ΦΝ)，其中： A ( Φ n) [Sn，Sn+i，···，Sn，S" S。，···，Sn-ι] 其中< ，Sl?sN為對標準脈衝輪廓S(t)進行N點均勻採樣得到的N點標準脈衝 輪廓值；η = 1，2，…，N ; (7) 、根據步驟（5)計算得到的噪聲子空間矩陣U = [u2, u3，…，uN]和步驟（6)構造得到 的搜索向量 A( 、...、Α(Φη)、...、Α(ΦΝ)，計算脈衝 TOA 估計譜 ?·(Φ 、…、 ?·(φη)、...、?·(φΝ)，其中/(<〇=
η=1，2，...，Ν; (8)、在--·(ΦΝ)中查找最大值fmax，如果fmax = ?·(Φρ，則導航脈衝ΤΟΑ為 P · ，其中之=專，j = 1，2,…，或N。
2. 根據權利要求1所述的一種X射線脈衝星導航脈衝T0A的確定方法，其特徵在於，在 步驟（3c)中經過光子歷摺疊統計得到的每個摺疊時間格內的光子數C(1)、C(2)、一、C(N) 為摺疊得到脈衝輪廓。
3. 根據權利要求1所述的一種X射線脈衝星導航脈衝T0A的確定方法，其特徵在於，觀 測時間τ ^與X射線脈衝星導航脈衝T0A的計算精度成正比，即觀測時間越長，所述導航 脈衝Τ0Α的計算精度越高。
【文檔編號】G01C21/24GK104296755SQ201410575004
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】林晴晴, 帥平, 黃良偉, 張新源, 貝曉敏, 吳耀軍 申請人:中國空間技術研究院