融合脉冲星辐射矢量和计时观测的卫星自主导航系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种融合脉冲星辐射方向矢量和计时观测的航天器自主导航定位系统及方法。系统利用时辨探测器配合准直器获取脉冲到达时间和精确获取脉冲星辐射方向矢量，并利用红外或紫外地平敏感器获取地心方向矢量；利用脉冲星脉冲到达时间、辐射方向矢量和地心方向矢量，导航计算机分别完成地心坐标系下脉冲星计时观测导航算法、基于角距测量的脉冲星定位算法和基于角距测量的几何定向算法，并通过几种算法的融合实时获取航天器位置、速度、姿态以及在轨运动方向，完成轨道卫星自主导航，输出高精度的位置、姿态和速度信息。本发明适用于地球或其它行星的轨道卫星或星座的自主运控。
【专利说明】融合脉冲星辐射矢量和计时观测的卫星自主导航系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于导航【技术领域】，特别涉及融合X射线脉冲星辐射矢量和计时观测的卫星自主导航方法，用于为地球或其它近天体的轨道卫星，星际航行航天器，或者无稠密大气星体表面巡游车提供高精度自主导航定位服务。
【背景技术】
[0002]基于X射线脉冲星的导航定位是一种利用X射线脉冲星辐射脉冲到达时间测量作为信息输入的天文导航方法，能为近地、深空及星际空间航天器提供位置、速度、时间、姿态等丰富的导航信息。它通过测量同一脉冲到达航天器和到达SSB的时间差来计算航天器在该脉冲星方向相对于SSB的位移，再结合多颗脉冲星方向上的位移即可确定航天器在SSB坐标系下航天器位置。其中，时间差测量通常使用星载探测器接收X射线光子，在星载钟支持下经过周期累积得到累积脉冲轮廓，再与标准脉冲轮廓比对相位得到。
[0003]基于脉冲星的导航技术最早由美国喷气推进实验室的德恩斯博士于1974年提出；1981年，美国通信系统研究所的切斯特和巴特曼提出利用脉冲星X射线源为航天器导航的构想；1999年，搭载USA试验设备的美国空军”先进研究与全球观测卫星”被发射进入预定轨道，USA开展空间科学试验研究中包括了一项有关X射线导航的主题研究；2004年8月，美国航空航天局和海军天文台等多家单位着手拟定和启动脉冲星导航的研究计划，同时X射线脉冲星导航已纳入国防部长期发展战略规划纲要，并逐年增加项目研究经费，持续开展脉冲星导航的理论方法研究、关键技术攻关和原理样机研制等方面的研究工作。我国在空间科学十一五规划中也包括了发射用于实现l_250keV宽频段X射线成像巡天的天文卫星HXMT，其中的分系统-低能X射线，其频段为1.0-15keV,该X射线望远镜用于探索脉冲星导航。
[0004]脉冲星导航有能力具有多种优越的导航特性包括:(I)自主导航能力增强(2)从近地轨道、深空至星际空间飞行的持续导航能力(3)提供良好的外部时间频率基准(4)航天器编队飞行星座导航或星间跟踪(5)有利于减少维护成本和提高抗干扰能力。但是，脉冲星信号极其微弱，在目前的技术和认知水平下，很难达到理想的导航定位精度，特别是对于轨道卫星定轨应用，与传统的基于地基测控的定轨方法相比，除了在自主导航和抗干扰能力上具有明显优势外，其定轨精度还有较大差距。如果在实现脉冲星自主导航的同时，能进一步提高其定位精度，不仅可以拓展脉冲星应用空间，还十分有利于挖掘更多潜在的应用。而从目前脉冲星导航的原理来看，其仅仅利用脉冲星辐射脉冲稳定的计时特性测量信号光经过航天器到达太阳系质心的时间，再通过换算得到距离。基于这一原理，导航精度受诸多因素的限制，如相对论修正精度、脉冲星计时模型精度、位相测量精度等等。传统增强脉冲星导航精度可以通过优化信息获取，如精化相位预测模型、改进信号的时间测量等，但这类方法只能使定位精度接近其无偏估计的下界，并不增加可用信息量，因而也不能从本质上提升脉冲星导航的性能。因此如何在有限的观测技术水平下有效增强导航性能对X射线脉冲星导航理论研究和工程应用都具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0005]针对上述问题，本发明的主要目的在于:针对传统X射线脉冲星导航方法中，仅仅利用脉冲星辐射脉冲的计时观测作为导航信息输入，造成脉冲星导航能力利用不足、轨道卫星定位精度需要进一步提高的问题，提供一种融合脉冲星辐射矢量和计时观测的卫星自主导航方法，以达到充分利用脉冲星导航能力，提高脉冲星导航精度，实现轨道卫星自主高精度轨道确定、时间同步和姿态测量。
[0006]本发明的另一个目的还在于能够为编队卫星或者卫星星座提供定向手段，以辅助解决星座整体旋转和地球自传误差积累。
[0007]为实现上述目的，本发明的实现方法和技术解决方案为:融合脉冲星辐射方向矢量和计时观测的航天器自主导航定位方法，其特点在于包括X射线探测器、准直器、X射线脉冲星定时模型和参数数据库、太阳系行星参数库，星载原子钟、星载计算机，红外(或紫外)地平敏感、导航算法库、星载万向支架等；星载计算机根据当前记录的航天器姿态和X射线脉冲星参数数据库，控制星载万向架支撑星载X射线探测器指向目标脉冲星；x射线探测器配合准直器，通过测量到达探测器的X射线脉冲星的光子流量强度计算脉冲星指向与脉冲星辐射矢量的偏差，该偏差反馈到星载计算机用于增强姿态控制，精确获取脉冲星辐射方向矢量；在探测器准确指向目标脉冲星的同时，X射线探测器记录X射线光子到达时间，在星载脉冲星参数库和太阳系行星参数库支持下将光子到达时间改正转换到太阳系质心；转换后的光子按照周期统计其在采样时间分辨单位内的重复频率直方图，进而形成累积轮廓；该累积轮廓与脉冲星标准平均轮廓比相，获取累计轮廓位相，该位相再与星载原子钟保持的脉冲星相位演化模型做差，所得相差转换成距离差，送至导航计算机中的基于地心坐标系的脉冲星计时观测导航算法；同时地平敏感仪敏感地平得到地平角距，并计算地心方向矢量，该角距与上述脉冲星辐射方向矢量共同送至星载计算机中基于角距测量的脉冲星定位算法，同时该地心方向矢量与上述脉冲星辐射方向矢量共同送至基于角距测量的几何定向算法；星载计算机调用自主导航算法库中的融合导航滤波算法对基于脉冲星计时观测的导航算法、基于角距测量的脉冲星定位算法和基于角距测量的几何定向算法融合，输出高精度的自主导航参数信息，包括位置、姿态和速度信息。
[0008]所述的X射线探测器为时间分辨探测器，所述的准直器安装于探测器前方，准直器由一系列平行的空心柱体紧密排列，只允许与柱体平行的光线通过，到达探测器，依次达到背景噪声滤波、辐射矢量识别的目的。
[0009]所述的重复频率直方图的生成方法为:假设为一段X射线脉冲星观测信号，它由N个采样构成，采样间隔为δ t，起始时刻为h，周期为ΤΡ，Νδ t = mTP，m为观测信号中的周期数，ZiQ = I,..., N)表示每个采样间隔内光子计数,写成向量形式为z = [Z1, Z2, , zN]
τ，令
【权利要求】
1.融合脉冲星辐射方向矢量和计时观测的航天器自主导航定位方法，其特征在于包括X射线探测器、准直器、X射线脉冲星定时模型和参数数据库、太阳系行星参数库，星载原子钟、星载计算机，红外(或紫外)地平敏感、导航算法库、星载万向支架等；星载计算机根据当前记录的航天器姿态和X射线脉冲星参数数据库，控制星载万向架支撑星载X射线探测器指向目标脉冲星；x射线探测器配合准直器，通过测量到达探测器的X射线脉冲星的光子流量强度计算脉冲星指向与脉冲星辐射矢量的偏差，该偏差反馈到星载计算机用于增强姿态控制，精确获取脉冲星辐射方向矢量；在探测器准确指向目标脉冲星的同时，X射线探测器记录X射线光子到达时间，在星载脉冲星参数库和太阳系行星参数库支持下将光子到达时间改正转换到太阳系质心；转换后的光子按照周期统计其在采样时间分辨单位内的重复频率直方图，进而形成累积轮廓；该累积轮廓与脉冲星标准平均轮廓比相，获取累计轮廓位相，该位相再与星载原子钟保持的脉冲星相位演化模型做差，所得相差转换成距离差，送至导航计算机中的基于地心坐标系的脉冲星计时观测导航算法；同时地平敏感仪敏感地平得到地平角距，并计算地心方向矢量，该角距与上述脉冲星辐射方向矢量共同送至星载计算机中基于角距测量的脉冲星定位算法，同时该地心方向矢量与上述脉冲星辐射方向矢量共同送至基于角距测量的几何定向算法；星载计算机调用自主导航算法库中的融合导航滤波算法对基于脉冲星计时观测的导航算法、基于角距测量的脉冲星定位算法和基于角距测量的几何定向算法融合，输出高精度的自主导航参数信息，包括位置、姿态和速度信息。
2.根据权利要求1，所述的X射线探测器为时间分辨探测器，所述的准直器安装于探测器前方，准直器由一系列平行的空心柱体紧密排列，只允许与柱体平行的光线通过，到达探测器，依次达到背景噪声滤波、辐射矢量识别的目的。
3.根据权利要求1，所述的重复频率直方图的生成方法为:假设为一段X射线脉冲星观测信号，它由N个采样构成，采样间隔为St，起始时刻为h，周期为TP，N5t =mTp, m为观测信号中的周期数，Z i (i = I,...,N)表示每个采样间隔内光子计数，写成向量形式为ζ =[Z1, Z2,..., zN]T，令
4.根据权利要求1、所述的脉冲星计时观测导航算法的实现方法为:星载计算机利用太阳系行星参数数据库和脉冲星计时模型和参数数据库计算地球坐标系中心相对于太阳系质心的位置和速度，并通过光行时转换和时间转换将建立在太阳系质心和太阳系质心力学时下的脉冲星相位演化模型转换到地球坐标系中心和地球质心力学时下；同时星载计算机在星载原子钟支持下，维持地心坐标系下的脉冲星相位演化模型；星载X射线探测器记录X射线脉冲星光子到达时间，整合出累积脉冲轮廓，该轮廓与所述的地心坐标系下的脉冲星相位演化模型比相获得相差，进而利用相差计算距离误差，该距离误差送入导航算法库。所述的地平角距为地心坐标系下卫星到地球两侧表面切线方向矢量的夹角。所述的地心方向矢量为地球坐标系下卫星中心到地球中心连线方向矢量，计算方法为地平角距的中心线方向。所述的脉冲星辐射矢量的识别方法为:以万向支架支撑点为中心，在一个圆球面上以往返形式等幅度步进探测器指向，当探测器接收到的目标脉冲星辐射流量强度最大时即认为探测器指向与脉冲星辐射方向矢量平行。
5.根据权利要求4，所述的脉冲星辐射流量强度表示方法为对探测器记录的光子序列做FFT变换，统计目标脉冲星信号在其特征频率点的平均功率，用于标定流量强度。
6.根据权利要求1，所述的基于角距测量的脉冲星定位算法的实现方法为:星载计算机同时接收X射线探测器输出的脉冲星矢量信息和地平敏感仪输出的地心方向矢量以及地平仪输出的地平角距，首先建立地平角距与卫星位置矢量的函数关系式，命名为关系式A，再建立地心矢量方向与脉冲星辐射方向矢量夹角与卫星位置的函数关系式，命名为关系式B ;利用关系式A和关系式B建立观测方程送入导航滤波算法。
7.根据权利要求6，所述的关系式A为
8.根据权利要求1，所述的基于角距测量的几何定向算法为利用卫星在轨运动过程中通过地平敏感获取的地心矢量与脉冲星辐射方向矢量角距变化获取航天器运动方向；实现方法为:设轨道运动方向用^脉冲星辐射方向矢量为np，t0时刻的地心方向矢量分别为nrt。和^t1，则6可表示为
9.根据权利要求1，所述的导航滤波算法的特征在于:在(2)式和(I)式的基础上，多星观测矩阵是单星观测变量的有序组合，此时矢量观测矩阵表示为
Y1 = H1 δ X+ n = [Δβ1, Δβ2，...，Δβh, Jt δχ+ηι (5)其噪声均值，EU 0=0，
10.根据权利要求1，所述的融合脉冲星辐射方向矢量和计时观测的航天器自主导航定位方法，其特征在于:基于计时观测的导航或者基于角距观测均可以独立完成近地轨道卫星导航定位，二者也可以共同用于导航以增加导航精度，适合于近地轨道卫星或者卫星星座高精度自主导航。
【文档编号】G01C21/24GK103674032SQ201210323585
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2012年9月4日 优先权日:2012年9月4日
【发明者】张华 , 许录平, 李沃恒, 田茜, 谢强 申请人:西安电子科技大学