[发明专利]一种脉冲星导航位置和速度联合估计方法

说明书

技术领域

本发明属于航天器导航领域，特别涉及一种脉冲星导航位置和速度联合估计方法。

背景技术

近些年来，为了争夺太空资源，航天大国纷纷开展深空探测活动，而精确的导航定位是所有深空探测活动的前提和基础。目前，航天器导航系统主要包括以下几种：地面站导航系统、全球定位系统(Global Position System,GPS)、重力导航系统、地磁导航系统以及天文导航系统(CelestialNavigation System,CNS)等。但是，这些技术都不适合深空探测，主要问题如下：地面站导航系统、GPS、重力导航系统和地磁导航系统只能为地球表面的飞行器和近地空间的航天器提供导航信息；CNS是在航天器上安装光学敏感器件，通过测量恒星和近天体的相对位置来实现定位，其定位精度受航天器与近天体之间的距离影响，无法满足星际飞行任务高精度定位的要求。

X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方式，可在整个太空内为航天器提供长时间、高精度的定位和定速等导航信息。X射线脉冲星是一种高速自转的磁中子星，能够不断对外辐射稳定的、可预见的、唯一的X射线信号。星载X射线探测器接收一段时间(5~10分钟)的脉冲信号，对其按脉冲周期累积并处理即可获得到达航天器的时间t_SC。而该脉冲到达太阳系质心(solar system barycenter,SSB)时间t_b则可通过脉冲计时模型预报得到。时延t_b-t_SC则为脉冲星导航系统的基本观测量。从多颗脉冲星视线方向上可得到多个观测量，再利用导航滤波器即可估计出航天器位置。

脉冲到达时间的获取需通过长时间(5~10分钟)累积脉冲星辐射信号。但是，由于航天器是运动的，且无法获得长时间、高精度的速度信息，X射线探测器接收到的脉冲信号必然会受Doppler效应的影响，且该效应无法有效消除。在脉冲信号累积过程中，若按脉冲星辐射信号固有周期进行累积，脉冲累积轮廓会出现“钝化”，定位精度也会大幅度下降，严重时甚至会导致脉冲星导航系统无法正常工作。在Institute of Navigation 63rd Annual Meeting(导航协会第63届年会)上公布的《On pulse phase estimation and tracking of variable celestial X-ray sources (关于可变宇宙X射线源的脉冲相位估计与跟踪)》一文中，Golshan根据脉冲轮廓的畸变，利用最大似然估计方法确定位置和速度。该方法的精度已经接近于克拉美劳下界。但是，由于该技术通过网格法搜索似然函数的最大值来获得速度估计值，每次网格点的计算都涉及全部脉冲辐射信号原始数据。在现有技术条件下，探测器分辨率在微秒量级，累积时间为5～10分钟，则原始数据量在10⁸～10⁹量级，十分巨大。这导致计算量很大(仅一次网格点的计算就包括10⁸～10⁹量级加法运算和10⁸～10⁹量级乘法运算)，所以该算法无法满足实时性要求。在期刊《Science China:Physics,Mechanics & Astronomy(中国科学：物理学力学天文学)》2011年第6期的《Modeling and Doppler measurement of X-ray pulsar(X射线脉冲星建模和多普勒测量)》一文中，将脉冲星信号分解为多个高斯函数，提出了脉冲累积轮廓熵的概念，以标准脉冲轮廓和累积轮廓之间的误差为目标函数，通过调整时延和Doppler速度，使得目标函数最小，从而获得较高精度的速度估计值。这两种方法也需多次计算脉冲辐射信号的原始数据，计算量很大。

发明内容

本发明针对现有脉冲星导航定位和定速方法计算量大这一缺陷，提供一种快速的脉冲星导航位置和速度联合估计方法，以实现在轨实时计算。

本发明的技术方案为一种脉冲星导航位置和速度联合估计方法，包括以下步骤：

步骤1，总观测时间间隔(t₀，t_f)被分为m个相等的观测子间隔，(t₀+(i-1)T_obs/m,t₀+i·T_obs/m),i=1,2…m,其中，观测时间为T_obs=t_f-t₀；