一种x射线脉冲星导航脉冲toa的确定方法
【专利摘要】本发明涉及一种X射线脉冲星导航脉冲TOA的确定方法，该方法首先根据观测时间内得到的光子序列，在选取的折叠周期内进行脉冲轮廓折叠，并且进行归一化得到归一化强度矢量，再对该归一化强度矢量的协方差矩阵进行特征子空间分解得到噪声子空间矩阵，并根据标准脉冲轮廓构造搜索向量，然后由该噪声子空间矩阵和搜索矢量得到脉冲TOA的谱，并通过对脉冲TOA的谱进行谱峰值搜索得到脉冲TOA的值；该方法基于特征子空间分解进行脉冲TOA确定可以有效提高脉冲TOA的计算精度，并采用脉冲轮廓折叠提高脉冲轮廓估计值与标准脉冲轮廓的逼近程度，从而提高观测时间内的脉冲TOA计算精度。
【专利说明】-种X射线脉冲星导航脉冲TOA的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天器自主导航【技术领域】，特别涉及一种X射线脉冲星导航脉冲Τ0Α 的确定方法。
【背景技术】
[0002] X射线脉冲星导航（XPNAV)是一种新概念的航天器自主导航技术，能够为近地轨 道、深空和星际空间飞行的航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息，具有重 要的工程应用价值和战略研究意义，备受国际航天机构关注。从公开报道来看，X射线脉 冲星导航最知名的计划是2004年美国国防先进技术发展局启动的"X射线导航与自主定 位"（XNAV)研究计划，该计划目前已完成可行论证、关键技术攻关与地面验证，即将在国际 空间站和高轨道卫星上开展空间飞行试验。其它公开的脉冲星导航计划还包括，2004年欧 洲空间局（ESA)在ARIADNA空间技术预研计划支持下启动的"ESA深空探测器脉冲星导航 研究计划"，进行了可行性研究；日本、俄罗斯和澳大利亚等国家也开展了相关的研究。
[0003] XPNAV的基本原理是将X射线脉冲星到达航天器的到达时间（Τ0Α)作为基本观测 量，利用建立在基准点（太阳系质心）的时间模型，计算同一脉冲到达基准点的Τ0Α，利用脉 冲Τ0Α观测量与预测模型之间的差值，通过一定的导航算法，获得观测时刻航天器相对基 准点的位置。因此只有进行精确的脉冲Τ0Α确定，才能进行后续的航天器导航定位。
[0004] 脉冲Τ0Α是XPNAV的基本观测量，其确定精度是决定XPNAV定位、测速和定时精 度的主要因素，如何高精度的求解脉冲Τ0Α是XPNAV的一个十分重要的问题。Emadzadeh A A等人提出了 一系列的脉冲Τ0Α确定方法，在文献"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"和文献"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 " 中提出将到达光子进行历兀折叠 得到折叠轮廓，前者利用非线性最小二乘估计而后者利用互相关技术实现折叠轮廓与标 准轮廓的对比，得到脉冲Τ0Α的值；文献"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" 中基于最大似然原 理，提出直接利用光子数据通过最大化似然函数求得脉冲TOA的值。文献"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 用栅格化搜索的数值算法来完成似然函数的最大化。Rinauro S等人在文献"Rinauro S，Colonnese S,ScaranoG. Fast near-maximum likelihood phase estimation of X-ray pulsars. Signal Processing，2013, 93 (1) : 326-331 " 中将脉冲 TOA 确定问题重构为一 个循环移位参数估计问题，然后利用离散傅里叶变换完成似然函数的最大化，得到脉冲 Τ0Α的值。在国内，学者们也提出了一些高精度的脉冲Τ0Α确定方法。谢振华等人在文 献"谢振华，许录平，倪广仁.基于双谱的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量.物理学 报，2008, 57(10) :6683-6688"中利用双谱抑制高斯噪声，在低信噪比下也具有较高的估计 精度，但是该方法是针对射电脉冲星累积轮廓的脉冲TOA确定提出的，并不适用与XPNAV ; 苏哲等人在文献"苏哲，许录平，王婷等.一种新的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算 法.宇航学报，2011，32 (6) :1256-1261. "中提出了 一种粗略估计和精确测量相结合的 XPNAV脉冲TOA确定方法，通过抛物面内插法来提高精度。
[0005] 但是，为了获得更好的导航效果，现有的脉冲Τ0Α确定方法的精度仍有待进一步 提1?。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种X射线脉冲星导航脉冲Τ0Α的 确定方法，该方法基于特征子空间分解进行脉冲Τ0Α的确定，可以有效提高脉冲Τ0Α的计算 精度，并采用脉冲轮廓折叠提高脉冲轮廓估计值与标准脉冲轮廓的逼近程度，从而提高观 测时间内的脉冲Τ0Α的计算精度。
[0007] 本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
[0008] -种X射线脉冲星导航脉冲Τ0Α的确定方法，包括下列步骤：
[0009] (1)、根据设定的观测脉冲星序号，得到所述脉冲星的脉冲周期P和标准脉冲轮廓 S(t)；
[0010] (2)、从观测时间起点％开始，利用探测器接收光子，并记录所述光子的到达时 间，在设定的观测时间τ咖内，得到光子序列T g = [ τ τ 2,…，τ k,…，τ Ng]T，其中τ k为 第k个光子到达探测器的时间，k = 1、2、···、Ng，Ng为观测过程中所述探测器接收到的光 子总数；
[0011] (3)、根据步骤（2)得到的光子序列，进行光子历元折叠并进行归一化，得到折叠 轮廓归一化强度矢量
【权利要求】
1. 一种X射线脉冲星导航脉冲TOA的确定方法，其特征在于包括下列步骤： (1) 、根据设定的观测脉冲星序号，得到所述脉冲星的脉冲周期P和标准脉冲轮廓 S(t)； (2) 、从观测时间起点τ ^开始，利用探测器接收光子，并记录所述光子的到达时间，在 设定的观测时间，得到光子序列Tg= [τ^，τ2，···，Tk，···，TNg]T，其中T k为第k个 光子到达探测器的时间，k= 1、2、…、Ng，Ng为观测过程中所述探测器接收到的光子总数； (3) 、根据步骤（2)得到的光子序列，进行光子历元折叠并进行归一化，得到折叠轮廓 的归一化强度矢量R = [ri，r2，…，rN]T，具体处理过程如下： (3a)、在观测时间段τ ^?τ f τ 内选取折叠起点为τ Μ，并以脉冲周期P为折叠周 期，得到折叠时间段τ Qf?τ Qf+P，其中τ。彡τ Qf彡τ。+ τ Qbs-P ; (3b)、将步骤（3a)得到的折叠时间段均匀划分为N个折叠时间格，其中，第n个折叠时 间格为TQf+(n-l)Tb? TQf+nTb，其中，η = 1，2,…，仏所述折叠时间格长度6 = (3c)、在k= 1、2、…、哚时，根据如下判断方法确定各光子到达时间在折叠时间段内 的位置，并统计得到各折叠时间格内的光子数： 如果第k个光子到达探测器的时间τ k满足条件：lk., ?
<〃〃,,，贝1J判断所 述第k个光子到达时间τ k位于第η个折叠时间格内，并将所述第η个折叠时间格内的光子 数C (η)加1 ;其中
计算结果的小数部分的数值，C (η)的初始值为0 ; (3d)、对步骤（3c)中统计得到的各折叠时间格内的光子数进行如下的归一化处理，得 到折叠轮廓归一化强度矢量R= [ri，r2，…，rN]T，其中：
其中，〇^为0(1)、(：(2)、?、(：(吣内的最小值； (4) 、根据步骤（3)得到的折叠轮廓归一化强度矢量R= [ri，r2，…，rN]T，计算协方差矩 阵识==Λ · f，并对所述协方差矩阵μ进行特征值分解得到N个特征值，以及所述N个特征值 对应的Ν个特征矢量；其中，所述Ν个特征值由大到小依次为λρ λ2、…、λΝ，即λ，λ2>… >λΝ;%特征值应的特征向量依次为 U1、U2、···、％; (5) 、根据步骤（4)中得到的特征向量u2、u3、…、uN，得到噪声子空间矩阵U= [u2，u3，… ,%]； (6) 、根据步骤⑴得到的标准脉冲轮廓S(t)构造搜索向量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为对标准脉冲轮廓S(t)进行N点均匀采样得到的N点标准脉冲 轮廓值；η = 1，2，…，N ; (7) 、根据步骤（5)计算得到的噪声子空间矩阵U = [u2, u3，…，uN]和步骤（6)构造得到 的搜索向量 A( 、...、Α(Φη)、...、Α(ΦΝ)，计算脉冲 TOA 估计谱 ?·(Φ 、…、 ?·(φη)、...、?·(φΝ)，其中/(<〇=
η=1，2，...，Ν; (8)、在--·(ΦΝ)中查找最大值fmax，如果fmax = ?·(Φρ，则导航脉冲ΤΟΑ为 P · ，其中之=专，j = 1，2,…，或N。
2. 根据权利要求1所述的一种X射线脉冲星导航脉冲T0A的确定方法，其特征在于，在 步骤（3c)中经过光子历折叠统计得到的每个折叠时间格内的光子数C(1)、C(2)、一、C(N) 为折叠得到脉冲轮廓。
3. 根据权利要求1所述的一种X射线脉冲星导航脉冲T0A的确定方法，其特征在于，观 测时间τ ^与X射线脉冲星导航脉冲T0A的计算精度成正比，即观测时间越长，所述导航 脉冲Τ0Α的计算精度越高。
【文档编号】G01C21/24GK104296755SQ201410575004
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】林晴晴, 帅平, 黄良伟, 张新源, 贝晓敏, 吴耀军 申请人:中国空间技术研究院