一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法与流程

1.本发明属于空间飞行器脉冲星自主导航技术领域，具体涉及一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法。


背景技术：

2.脉冲星自主导航技术是卫星实现自主导航的新手段。在卫星利用脉冲星实现自主导航的过程中，对脉冲在参考点的相位进行估计是关系导航精度的关键技术。目前，脉冲星导航主要针对独立卫星开展研究，进行导航和脉冲相位估计也是基于独立卫星上搭载的脉冲星探测器及其数据处理软硬件系统。对于脉冲相位的估计方法主要有：最小二乘法、最小方差法、最大相关法、最大似然法、频域相关法以及相关的改进方法等。
3.近年来，为了提高脉冲星自主导航的精度，国内外技术人员开展了大量组合导航研究，将脉冲星导航与其他导航方式相融合，得到更高的导航精度。例如，采用脉冲星与星光角距组合导航方式，将脉冲相位观测量与星光角距观测量进行融合计算得到卫星位置。其方法特点是需要卫星分别获得脉冲相位与星光角距，然后进行融合计算。也就是说，脉冲相位的提取与星光角距无关，二者是独立的。星光角距不对脉冲相位估计精度提升有贡献，其主要作用在于星光角距与脉冲相位共同构成位置观测方程，与卫星运动学状态方程进行融合，实现对定位精度的提升。该方法本质上是在融合定位的层面上实现导航定位的松耦合组合导航。
4.基于星间链路的分布式脉冲星导航也是近年来的研究热点。星间链路为分布式卫星系统的通信、测距和时钟同步提供了手段。分布式脉冲星自主导航利用不同的卫星分别对不同脉冲星进行观测，获得脉冲相位观测量，基于星间链路测量数据，在数据处理单元中对不同的脉冲星相位观测量进行统一处理，从而实现导航定位。如何实现基于星间链路的分布式脉冲星导航目前尚未有行之有效的方法。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其具体技术方案如下：
6.一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其以分布式布局的卫星系统为载体，所述卫星系统以星间链路互联，包括分布式布置的若干卫星，各卫星上搭载以下单元：
7.高精度时间同步计时系统，用于为整个系统提供统一的时间基准和高精度计时；
8.脉冲星探测载荷单元，用于对脉冲星的探测，获取脉冲星到达卫星的光子到达时间序列信息；该光子序列以脉冲星周期进行轮廓折叠，生成观测脉冲轮廓；
9.星光矢量敏感载荷单元，用于对恒星矢量的观测；
10.地球敏感载荷单元，用于对地心矢量的提取；
11.星间链路载荷单元，用于实现卫星之间的通信和测距。基于其测量信息，实现卫星对脉冲星测量和星光角距的数据融合，所述星光角距由星光矢量和地心矢量构建。
12.优选的方案中，所述脉冲星探测载荷单元搭载于分布式布置于各卫星上，或搭载于至少一个实现脉冲相位估计的卫星上。
13.一种脉冲星自主导航脉冲相位估计方法，其包括如下的步骤：
14.a1：以s1，s2,si
……
sn代表各卫星，脉冲星探测载荷单元、星光矢量敏感载荷单元、地球敏感载荷单元对恒星观测矢量为si,i＝1,2,...，对地心观测矢量为ej,j＝1,2...，各卫星通过对恒星和地球观测合成的星光角距为
15.a2：在某时刻t0：利用脉冲星探测器接收到的脉冲星光子到达时间序列，按照脉冲星周期ps以柱状图的形式将光子到达时间序列折叠到第一个脉冲周期中，获得观测轮廓p(t)；
16.a3：进行高精度脉冲相位估计。
17.进一步，步骤a2的具过程包括：
18.b1：以t0为起始点，将到达时间大于一个ps的脉冲星光子序列对ps取余数，该余数对应地插入到t0到t0+ps的时间段中，从而获得分布于t0到t0+ps时间段的光子点；
19.b2：以bin为宽度，画柱状统计图，纵坐标为落在该bin内的光子的个数；
20.b3：柱状统计图的幅值序列即为轮廓在bin上的观测值p(k)，其连续化的形式为p(t)；
21.b4：将bin视为滤波步长k，每个bin对应的轮廓值p(k)作为该bin上的脉冲轮廓观测值；
22.b5：利用星光矢量敏感载荷和地球敏感载荷探测合成星光角距星光测量的方向尽可能多样，星光角距的数量尽可能多；对每一个bin，将星光角距观测值随机地与该bin上的脉冲轮廓观测值进行匹配，构成二维观测组合
23.b6：结合标准轮廓信息，构建卡尔曼滤波器，进行滤波计算，收敛后得到该时刻的脉冲相位值，具体为：
24.脉冲星标准轮廓s
p
(t)和相位函数可以通过地面和在轨长时间的观测获得，是脉冲星导航的基础；卫星在进行在轨脉冲星自主导航时，通过利用星上探测器探测脉冲星光子到达时间信息，大尺度时空转换到ssb处并折叠成轮廓，进而与标准轮廓作比较获得相位信息，观测轮廓可以建模为：
25.p(t)＝as
p
(t-τ
p
)+b+v
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
26.其中，a代表折叠轮廓的幅值系数，可通过对折叠轮廓进行归一化折算为1，b体现为观测轮廓由于轮廓折叠中噪声影响引起的整体上移，视为常值，τ
p
为脉冲时延可转化为脉冲相位φ(即为待估计的参数)，v
p
为探测器及背景等效高斯白噪声；
27.卫星通过星光矢量敏感载荷观测恒星得到星光观测矢量，通过地球敏感载荷敏感地平并计算获得地心矢量，可以构建对恒星和地心的星光角距观测量；由几何关系可知，恒星-地心星光角距为位置的函数，可建立观测方程为：
[0028][0029]
其中，为分布式卫星系统中第i个恒星-地心星光角距；si为所观测的某已知恒星i的单位星光矢量，r
sat
为太阳系质心坐标系(ssb系)下卫星位置矢量，符号表示大尺度时空转换，表示ssb系下对r
sat
的估值，表示位置估计误差，φ＝[φ
1 φ
2 φ3]
t
为三颗脉冲星矢量方向上的待估计相位，ps＝[p
s1 p
s2 p
s3
]
t
为三颗脉冲星周期，n＝[n
1 n
2 n3]
t
为三颗脉冲星单位矢量，为第i个星光角距对应的卫星与实现融合相位估计的卫星之间的星间相位差，c为光速，l
is
为该卫星与卫星s1的星间距离在被观测脉冲星方向上的距离投影，fs为脉冲星发射的脉冲频率，v
θ
为测量噪声；
[0030]
对于进行三个方向脉冲星观测的卫星，令代表三个脉冲星标准轮廓，j＝[j
1 j
2 j3]
t
代表对三个标准轮廓求导得到的函数，b＝[b
1 b
2 b3]
t
为三个观测轮廓的上移量，则可以建立状态方程为
[0031][0032]
如前所述，利用脉冲星观测轮廓p和星光角距通过几何关系，可构建观测方程为：
[0033][0034]
令x
φ
＝[s
p
,φ,b]
t
，则以上方程可整理为：
[0035][0036]yφ
＝g
φ
(x
φ
)+v
φ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0037]
其中，g
φ
(
·
)为非线性观测方程，w
φ
＝[w
p o3×
1 o3×1]
t
和分别为状态噪声和观测噪声，等效为高斯白噪声；
[0038]
根据以上状态方程和观测方程，利用kalman滤波器对脉冲相位φ进行估计。
[0039]
进一步，步骤a3的具过程包括：
[0040]
c1：以星上高精度时钟计时与同步系统为时间基准，使分布式系统中各卫星保持良好的时间同步性和计时准确性；以某负责任务调度的卫星开启任务，任务起点设为t0，开展对脉冲星辐射信号的观测累积，在各卫星上同步开展星光矢量和地心矢量观测以及星间距离和卫星s1的方向矢量观测；
[0041]
c2：卫星s1以t0时刻为基准，将脉冲星探测的光子到达时间序列信息以一定数量的bin合成轮廓，获得n1个轮廓幅值观测量p(k),k＝1...n1
[0042]
c3：在t0时刻，各卫星利用其观测到的星光矢量和地心矢量合成星光角距信息，并与该时刻的星间距离数据一同打包发送给卫星s1；
[0043]
c4：卫星s1利用收到的星光角距信息和脉冲星观测轮廓，对应轮廓的每个bin，构建观测组合并构建如式(4)的观测方程和式(3)的状态方程，将bin视为滤波步长k，利用kalman滤波器进行计算，获得高精度脉冲相位估计值。
[0044]
本发明所达到的有益效果为：
[0045]
本发明结合脉冲星、星光角距组合导航方式以及基于星间链路测量的分布式脉冲星导航方式的特点，提出一种新的脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法。该系统采用
基于星间链路的分布式卫星系统架构。各卫星通过搭载星光矢量敏感载荷和地球敏感载荷进行星光角距观测，卫星通过搭载脉冲星探测载荷实现脉冲探测功能，当卫星利用观测到的脉冲星脉冲信息进行脉冲相位计算时，同时利用各卫星在同一时刻观测的星光角距信息，两者同时构成该时刻的观测量，利用该时刻脉冲星标准计时模型和轮廓模型，以合成柱状脉冲轮廓的横坐标间隔bin为步长进行信息融合，从而获得该时刻的脉冲相位信息。显然，本项目提出的方法将脉冲星探测数据和星光角距信息在相位估计阶段进行了融合，充分利用了各卫星提供的星光角距数据，是一种更深层次的组合导航方法，这对于进一步提高脉冲星导航精度具有重要的意义。具体如下：
[0046]
第一、本发明提出的脉冲观测轮廓和星光角距新的融合方法及其载荷系统构成，通过引入同一时刻的多个星光角距测量值，实现了轮廓幅值按bin滤波从而实现相位估计。
[0047]
第二、本发明提出了一套新的分布式架构的脉冲星自主导航脉冲相位估计系统和方法，能够实现高精度脉冲相位融合估计。
[0048]
第三、本发明提出的一种全新的脉冲轮廓/星光角距信息融合方法，该方法是一种脉冲星和星光角距的深度融合方法，能够实现高精度脉冲相位融合估计。
[0049]
第四、本发明能够有效利用具有星间链路的各种类型的卫星，搭载具有本发明需要功能的载荷，实现脉冲相位估计。
附图说明
[0050]
图1是分布式布局的卫星系统示意图；
[0051]
其中，s1-sn代表分布式卫星系统中的卫星s1-n。各卫星上搭载脉冲星探测载荷、星光矢量敏感载荷、地球敏感载荷、星间链路载荷以及高精度时间同步计时系统。黑色双向箭头代表星间链路，虚线代表卫星利用敏感器对恒星或地球的观测。
[0052]
图2是脉冲轮廓折叠过程示意图；
[0053]
图3是观测量构建示意图；
[0054]
图4是实施例1中的分布式卫星系统架构；
[0055]
图5是卫星s1载荷系统示意图；
[0056]
图6是卫星s2-sn载荷系统示意图。
具体实施方式
[0057]
为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合实施例及附图说明本发明的具体实施方式。
[0058]
本发明提供一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其以分布式布局的卫星系统为载体，所述卫星系统以星间链路互联，包括分布式布置的若干卫星，各卫星上搭载以下单元：高精度时间同步计时系统，用于为整个系统提供统一的时间基准和高精度计时；脉冲星探测载荷单元，用于对脉冲星的探测，获取脉冲星到达卫星的光子到达时间序列信息；该光子序列以脉冲星周期进行轮廓折叠，生成观测脉冲轮廓；星光矢量敏感载荷单元，用于对恒星矢量的观测；地球敏感载荷单元，用于对地心矢量的提取；星间链路载荷单元，用于实现卫星之间的通信和测距基于其测量信息，实现卫星对脉冲星测量和星光角距的数据融合，所述星光角距由星光矢量和地心矢量构建。
φ3]
t
为三颗脉冲星矢量方向上的待估计相位，ps＝[p
s1 p
s2 p
s3
]
t
为三颗脉冲星周期，n＝[n
1 n
2 n3]
t
为三颗脉冲星单位矢量，为第i个星光角距对应的卫星与实现融合相位估计的卫星之间的星间相位差，c为光速，l
is
为该卫星与卫星s1的星间距离在被观测脉冲星方向上的距离投影，fs为脉冲星发射的脉冲频率，为测量噪声；
[0077]
对于进行三个方向脉冲星观测的卫星，令代表三个脉冲星标准轮廓，j＝[j
1 j
2 j3]
t
代表对三个标准轮廓求导得到的函数，b＝[b
1 b
2 b3]
t
为三个观测轮廓的上移量，则可以建立状态方程为
[0078][0079]
如前所述，利用脉冲星观测轮廓p和星光角距通过几何关系，可构建观测方程为：
[0080][0081]
令x
φ
＝[s
p
,φ,b]
t
，则以上方程可整理为：
[0082][0083]yφ
＝g
φ
(x
φ
)+v
φ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0084]
其中，g
φ
(
·
)为非线性观测方程，w
φ
＝[w
p o3×
1 o3×1]
t
和分别为状态噪声和观测噪声，等效为高斯白噪声；
[0085]
根据以上状态方程和观测方程，利用kalman滤波器对脉冲相位φ进行估计。
[0086]
步骤a3的具过程包括：
[0087]
c1：以星上高精度时钟计时与同步系统为时间基准，使分布式系统中各卫星保持良好的时间同步性和计时准确性；以某负责任务调度的卫星开启任务，任务起点设为t0，开展对脉冲星辐射信号的观测累积，在各卫星上同步开展星光矢量和地心矢量观测以及星间距离和卫星s1的方向矢量观测；
[0088]
c2：卫星s1以t0时刻为基准，将脉冲星探测的光子到达时间序列信息以一定数量的bin合成轮廓，获得n1个轮廓幅值观测量p(k),k＝1...n1
[0089]
c3：在t0时刻，各卫星利用其观测到的星光矢量和地心矢量合成星光角距信息，并与该时刻的星间距离数据一同打包发送给卫星s1；
[0090]
c4：卫星s1利用收到的星光角距信息和脉冲星观测轮廓，对应轮廓的每个bin，构建观测组合并构建如式(4)的观测方程和式(3)的状态方程，将bin视为滤波步长k，利用kalman滤波器进行计算，获得高精度脉冲相位估计值。
[0091]
实施例1：
[0092]
下面结合具体案例，对本发明的脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法进行说明，具体按以下步骤执行：
[0093]
1、分布式卫星系统建立
[0094]
(1)在地球空间任意选取低、中、高轨道卫星，卫星装有脉冲星探测载荷、星光矢量敏感载荷、地球敏感载荷、星间链路载荷以及时间同步计时载荷。构建分布式卫星系统如图4所示。
[0095]
(2)分布式卫星系统中，至少有一个卫星作为实现高精度脉冲相位计算的载体，如图中的卫星s1。由多颗卫星通过星光矢量敏感载荷和地球敏感载荷观测实现星光角距的提取，如卫星s1-卫星sn所示。
[0096]
(3)卫星s1与其他卫星通过星间链路进行互联，能够实现星间测距、通信和时间同步等功能。
[0097]
(4)利用星间同步计时系统，各卫星保持时间同步，由某颗卫星进行整个系统的观测任务规划，实现对某时刻t0对应的脉冲星观测量、星光角距观测量以及卫星s1相对于各卫星的星光矢量的提取。
[0098]
(5)卫星s1利用获得的脉冲星观测量和星光角距观测量，根据所提出的方法，构建信息融合滤波系统，利用kalman滤波器实现脉冲相位估计。
[0099]
2、卫星载荷设计
[0100]
对于实现脉冲相位估算的卫星s1，设计卫星载荷系统，方案如图5所示，其中实线部分为必须具备的载荷，虚线部分为可以具备的载荷。卫星s1通过该载荷配置，基于分布式卫星系统时钟的同步计时，主要完成对脉冲星信号的观测，能够合成脉冲星观测轮廓。其星光角距主要通过星间链路从各个分布式卫星中获得，也可通过搭载星光矢量敏感载荷和地球敏感载荷进行一部分星光角距的观测。其中的脉冲相位估算单元利用本发明提出的方法，建立信息融合系统，并运用kalman滤波器实现脉冲相位估计。
[0101]
对于卫星s2-卫星sn，设计载荷系统，方案如图6所示，其中实线部分为必须具备的载荷，虚线部分为可以具备的载荷。基于分布式卫星系统时钟的同步计时，卫星s1-n主要实现对t0时刻恒星矢量的测量和对地心矢量的测量，并合成星光角距。
[0102]
为了将星光角距最终利用脉冲相位表示，还需要完成的功能是：在该t0时刻，利用星间链路测量星间距离l，利用星光矢量敏感载荷观测卫星s1从而获得卫星s1的方向矢量rs1，利用l和rs1计算l在脉冲星方向上的投影l
is
，该功能可以在卫星s1上实现。
[0103]
以下对分布式卫星上搭载的探测器进行说明：
[0104]
(1)脉冲星探测器
[0105]
由光子探头、信号放大与采集单元、光子序列编码单元等组成，能够实现对脉冲星光子的探测和采集，形成光子时间序列发送到脉冲轮廓折叠单元。脉冲星探测器可以安装于转台上，通过转台转动保证对所探测脉冲星的跟踪。
[0106]
(2)地球敏感载荷
[0107]
星球敏感载荷由光学探头、信号放大与采集电路、地心提取模块、地心矢量计算模块等构成。用于实现地心矢量的获取，并与恒星矢量共同构建星光角距观测量。
[0108]
(3)星光矢量敏感载荷
[0109]
星光矢量敏感载荷由光学探头、信号放大与采集电路、星图数据库、星图匹配模块、星光矢量提取模块等构成。星光矢量敏感载荷采用大视场观测，并通过安装多个星光矢量敏感探头，实现对多个方向的恒星观测，获得较多的星光观测矢量。设置一台星光矢量敏
感载荷用于实现对卫星s1的观测，从而获取卫星s1的方向矢量。
[0110]
(4)星间链路
[0111]
星间链路采用传统成熟载荷，实现卫星之间的通信和精确测距。作为卫星s1，卫星通过星间链路接收其他卫星发送的星光角距观测信息；作为卫星2-卫星sn，卫星将星光角距信息通过星间链路传递给卫星s1。星间距离可由卫星s1完成测量，也可由卫星2-卫星sn完成测量和预处理后与星光角距共同打包发送给卫星s1。
[0112]
(5)脉冲相位估计单元
[0113]
该单元以嵌入式系统为载体，以脉冲星观测轮廓和各卫星的星光角距测量信息为输入，将星光角距信息分配于脉冲星轮廓bin中，构建基于脉冲观测轮廓和星光角距信息的滤波器，完成信息融合，实现脉冲相位计算。
[0114]
(6)时间同步计时系统
[0115]
由星上时钟、星间链路、嵌入式系统和时钟同步算法软件构成。保证各卫星计时的准确性和同步性。
[0116]
3数据处理流程实施方案
[0117]
①
在t0时刻，开启脉冲相位估计任务，持续时间到tn，在该时间段内，脉冲星探测器持续地探测脉冲星辐射的光子到达时间序列ph；
[0118]
②
在t0时刻，星光矢量敏感载荷探测恒星星光矢量si和卫星s1矢量rs1，地球敏感载荷探测地心矢量re，星间链路探测星间距离l；
[0119]
③
以t0时刻为参考起点，设定一定的bin数量n1，将脉冲星光子到达时间序列ph按照脉冲星信号周期ps折叠，合成观测轮廓p(t)，该轮廓即是t0时刻对应的观测脉冲轮廓。如图2所示；
[0120]
④
在t0时刻，各卫星将测量到得星光矢量与地心矢量合成星光角距(其中i代表获得的星光角距的序号)，并利用星间链路和卫星s1的星光矢量计算星间距离在脉冲星方向上的投影l
is
；
[0121]
⑤
将各卫星星光角距及其对应的星间距离投影l
is
打包，通过星间链路发送给卫星s1.
[0122]
⑥
卫星s1接收并整理t0时刻的脉冲星轮廓、各卫星星光角距数据和星间距离投影l
is
数据。在脉冲相位估计单元中，进行：
[0123]
i：将星光角距与观测轮廓构成观测量，每个bin都对应一组观测量其中k为第k个bin的序号，也即第k个滤波步长。构建的观测量方程的形式为：
[0124][0125]
具体参数与公式(4)相同。
[0126]
ii利用标准轮廓，构建状态方程，具有公式(3)的形式：
[0127]
[0128]
iii进行kalman滤波计算，得到脉冲相位φ的估计值
[0129]
⑦
输出脉冲相位估计φ，本次脉冲相位估计任务结束。
[0130]
以上的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。尤其对于本发明提出的脉冲相位估计方法，除应用于本发明中提及的分布式卫星系统外，也可应用于单个卫星的脉冲星相位估计。此时，需要单个卫星平台能够获得足够数量和质量的星光矢量，从而合成足够的星光角距。单卫星利用本发明中的方法实现脉冲相位提取的情况可以认为是分布式脉冲相位提取的特例。