专利名称：一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法
技术领域：
本发明涉及一种基于光学导航信息的脉冲星信号到达时间差确定方法，属于航天器自主导航技术领域。
背景技术：
航天器自主导航系统通过其自身的仪器设备确定航天器的位置和速度，能够减轻航天任务对地面测控的依赖，减小星地通讯的频率，提高航天器的自主生存能力。在过去的20年中，全球定位系统(Global Positioning System/GPS)逐渐成为低轨地球卫星的重要导航手段。但是，由于GPS系统主要对地面目标提供导航服务，对高轨卫星或深空探测器而言，GPS信号往往非常微弱，甚至无法接收到有效的GPS信号。此外，还要应对GPS受到干扰或遭到破坏的情况。因此，在利用GPS进行导航的同时，有必要探索新的自主导航方式。X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主天文导航方式。脉冲星是恒星大部分核燃料已经耗尽时通过爆发形成的致密天体。恒星不再燃烧核燃料时，不能以热压力的方式来支持自身的引力塌陷，导致星体收缩，在巨大的引力作用下，星体内的电子和质子结合成中子，从而形成高速自转的中子星。中子星能够沿磁极方向发射辐射波束，由于其自转轴与磁极方向不一致，脉冲星的转动带着福射波束在宇宙中扫过一个巨大的锥形，当福射波束扫过安装在地面或航天器上的探测设备时，探测设备就接收到一个脉冲信号，犹如海上为船舶导航的灯塔，如
图1所示。由于脉冲星具有极其致密和稳定的结构，因此，其自转周期非常稳定，所辐射的脉冲信号具有良好的周期稳定性。X射线脉冲星能够发射具有稳定周期的X射线脉冲信号，是理想的导航天体源，被誉为“宇宙中的灯塔”、“自然界的天体钟”。航天器上通过X射线探测器测量得到的脉冲星信号到达时间差观测量反映了航天器位置误差在脉冲星视线矢量上的投影，可用于对航天器的位置误差进行修正，从而实现航天器自主导航。在成功探测到脉冲星不久，就有学者提出了脉冲星导航的概念。近些年来，不断有新的脉冲星被发现和编目，作为脉冲星导航敏感器的X射线探测器技术也有了日新月异的发展，X射线探测器灵敏度提高的同时，其质量体积不断减小；x射线脉冲星导航逐渐成为航天器自主导航领域的研究热点。在航天器上通过X射线探测器获取的原始观测量是X射线光子到达时间观测量。通过对X射线光子到达时间观测量的处理获取脉冲星信号到达时间差观测量，是X射线脉冲星导航过程中的核心技术环节之一。传统的信号处理方法是通过周期折叠方法，利用X射线光子到达时间观测量构建观测脉冲轮廓，再将观测脉冲轮廓与已知的标准脉冲轮廓模版进行比对，二者之间的相位差反映了脉冲星信号到达时间差。应当注意，为了消除相对论效应和多普勒效应等因素对X射线脉冲星信号的影响，在应用周期折叠方法获取观测脉冲轮廓之前，需要将在航天器上观测得到的X射线光子到达时间转换至某一空间参考点，时间转换过程中需要用到航天器位置信息。然而，如果航天器的位置是未知的，那么，时间转换无法有效进行。此时，观测脉冲轮廓会变得模糊，通过观测脉冲轮廓和标准脉冲轮廓模版比对计算得到的脉冲星信号到达时间差将是不准确的。
发明内容
本发明的技术解决问题是为了解决航天器位置信息未知的情况下脉冲星信号到达时间差计算不准确的问题，提出一种基于光学导航信息的脉冲星信号到达时间差确定方法，实现脉冲星信号到达时间差的准确计算，为后续自主导航解算提供准确的脉冲星信号到达时间差观测量。本发明的技术解决方案是一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，步骤如下(I)在一个脉冲星观测时段内，通过航天器上的X射线探测器记录X射线光子到达时间；(2)通过航天器上的光学导航敏感器测量航天器的地心方向和地心距，将地心方向和地心距相乘并取反，得到航天器位置矢量；(3)利用通过步骤(2)获得的航天器位置矢量建立时间转换方程，通过时间转换方程对步骤(I)中获得的X射线光子到达时间进行时间转换，将X射线光子到达时间转换到太阳系质心作为空间参考点；(4)通过周期折叠方法对步骤(3)中所述经过时间转换的X射线光子到达时间数据进行处理，构造观测脉冲轮廓函数；(5)利用标准脉冲轮廓函数和步骤⑷获得的观测脉冲轮廓函数建立代价函数，基于所述代价函数进行非线性优化，从而得到自主导航需要的脉冲到达时间差观测量。所述步骤(3)中时间转换方程为
权利要求
1.一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其特征在于步骤如下(1)在一个脉冲星观测时段内，通过航天器上的X射线探测器记录X射线光子到达时间；(2)通过航天器上的光学导航敏感器测量航天器的地心方向和地心距，将地心方向和地心距相乘并取反，得到航天器位置矢量；(3)利用通过步骤(2)获得的航天器位置矢量建立时间转换方程，通过时间转换方程对步骤(I)中获得的X射线光子到达时间进行时间转换，将X射线光子到达时间转换到太阳系质心作为空间参考点；(4)通过周期折叠方法对步骤(3)中所述经过时间转换的X射线光子到达时间数据进行处理，构造观测脉冲轮廓函数；(5)利用标准脉冲轮廓函数和步骤(4)获得的观测脉冲轮廓函数建立代价函数，基于所述代价函数进行非线性优化，从而得到自主导航需要的脉冲到达时间差观测量。
2.根据权利要求1所述的一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其特征在于所述步骤(3)中时间转换方程为其中，tpbs)为航天器上所记录的X射线光子到达时间，即脉冲星发射的X射线光子到达航天器的时间表示经过时间转换的X射线光子到达时间，c表示光速，单位矢量η是脉冲星视线矢量，D。表示太阳系质心到脉冲星的距离，μ 3表示太阳引力场系数，b表示太阳系质心相对于太阳系中心的位置矢量，fse,Jt表示航天器位置矢量在太阳系质心惯性系中的投影。
3.根据权利要求1所述的一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其特征在于所述步骤(4)中通过周期折叠方法对经过时间转换的X射线光子到达时间数据进行处理,构造观测脉冲轮廓函数具体为通过公式
4.根据权利要求1所述的一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其特征在于所述代价函数为
全文摘要
一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其基本流程为首先，将通过航天器上的光学导航敏感器获得的航天器位置信息用于建立时间转换方程，对通过X射线探测器观测得到的X射线光子到达时间观测量进行时间转换；其次，基于经过时间转换的X射线光子到达时间数据，通过周期折叠方法获得观测脉冲轮廓；再次，将观测脉冲轮廓和已知的标准脉冲轮廓进行比对，计算得到脉冲星信号到达时间差，所得到的脉冲星信号到达时间差可作为航天器自主导航系统的观测量。该方法能够实现脉冲星信号到达时间差的准确计算，为航天器自主导航系统提供准确的脉冲星信号到达时间差观测量。
文档编号G01C21/24GK102997922SQ20121050454
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者王大轶, 熊凯, 褚永辉, 黄翔宇 申请人:北京控制工程研究所