一种快速脉冲星导航整周模糊度解算方法
【专利摘要】一种快速脉冲星导航整周模糊度解算方法，分为地面实现部分与星上处理部分，地面实现部分对应于步骤1～步骤7，通在地面实现相关模型与模板的建立以节省星上计算时间，星上处理部分对应于步骤8～步骤12，称为基于粒子群优化的压缩模板匹配搜索方法。本发明满足了未来脉冲星导航系统快速并准确地建立航天器初始位置的需求，利用本发明可以用显著性水平参数来控制模糊度求解成功概率，并使用压缩模板指数来提高了模糊度解算效率，最终有效保证了模糊度能够成功与快速解算，能够正确并快速确定航天器的初始位置。
【专利说明】一种快速脉冲星导航整周模糊度解算方法
【技术领域】
[0001]本发明属于航天器自主导航【技术领域】，涉及一种快速脉冲星导航整周模糊度解算方法。
【背景技术】
[0002]X射线脉冲星导航(简称脉冲星导航)是实现航天器长时间高精度自主导航最有希望取得突破的技术，具有重要的工程应用价值，备受国际航天机构关注。2004年，美国国防部提出X射线脉冲星导航研究计划(XNAV)，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。此外，欧洲空间局(ESA)、俄罗斯、德国、日本、英国、印度和澳大利亚等国家或组织也启动了 X射线脉冲星导航理论方法和试验验证研究。
[0003]整周模糊度解算问题是脉冲星导航中的一个重要问题，因为航天器直接测量的是脉冲信号的小数相位，只有获得整数相位，才能得到航天器的绝对位置信息。脉冲信号整数相位是有待解算的未知量，称为整周模糊度(以下简称模糊度)。当导航系统发生故障而重启时，航天器先验位置信息丢失，需要解出正确的模糊度才能重建航天器的初始位置信息。
[0004]由于相位量测是有误差的，模糊度解算问题是一个概率问题，需要通过搜索的方法来解算。S.1.Sheikh 在其博士论文“The use of variable celestial X-raysources for spacecraft navigation.Ph.D.Dissertation,Dept Aero Engj MarylandUniv, College Park, MD, 2005”中提出了搜索空间的概念，对候选模糊度进行逐个测式。J.Sara 等在报告 “Sala J, Urruela A, Villares X, et al.Feasibility study fora spacecraft navigation system relying on pulsar timing information.ARIADNAstudy03/4202, 2004”中建立了基本搜索结构，即由3颗导航脉冲星与I颗检验脉冲星构成一个模糊度解算单元，不断地更换解算单元中的检验星进行搜索，直至得到3颗导航星的唯一模糊度解。国内学者通过相应研究，一定程度上提高了模糊度解算速度:谢振华等在文献“一种新的XPNAV系统解脉冲周期模糊算法.电子与信息学报，2008, 30(9):2124 - 2127”中给出了一种线性形式的检验方程来缩短搜索时间；谢强等在文献“谢强，许录平，张华，等.脉冲星导航解周期模糊匹配搜索算法.系统工程与电子技术，2011，33(11):2498 -2500”中开发了一种匹配搜索技术，使用匹配搜索模板来减小候选模糊度数量，进而加快搜索进程。但是，现有的模糊度解算方法的解算速度仍有待进一步提高，况且现有算法检验阈值的选取比较经验化，不能有效控制解算成功概率。因此，本发明从实际工程应用角度出发，提出一种新型快速脉冲星导航整周模糊度解算方法，以满足未来脉冲星导航系统快速并准确地建立航天器初始位置的需求。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就在于:克服现有技术的不足，提供一种快速脉冲星导航整周模糊度解算方法，以满足未来脉冲星导航系统快速并准确地建立航天器初始位置的需求，利用本发明可以用显著性水平参数来控制模糊度求解成功概率，并使用压缩模板指数来提高了模糊度解算效率，最终有效保证了模糊度能够成功与快速解算，能够快速确定航天器的初始位置。
[0006]本发明的技术解决方案:一种快速脉冲星导航整周模糊度解算方法，分为地面实现部分与星上处理部分，地面实现部分对应于步骤I~步骤7，通在地面实现相关模型与模板的建立以节省星上计算时间，星上处理部分对应于步骤8~步骤12，称为基于粒子群优化的压缩模板匹配搜索方法；步骤如下:
[0007]步骤1:确定导航脉冲星与检验脉冲星。导航脉冲星为3颗，选取自转周期较大，相位量测精度较高的脉冲星，检验脉冲星为I颗，按照相位量测精度由高至低排序。3颗导航脉冲星与I颗检验脉冲星构成I个模糊度解算单元。
[0008]步骤2:建立模糊度解算单元的模糊度量测方程。所建立模糊度量测方程表达式为:y=m+Bx+e
[0009]式中:111=0?, m2，m3，m4]T,为模糊度解算单元各脉冲星的模糊度J=Iiy1, y2，％，yJT为模糊度解算单元各脉冲星的相位量测；e=[ei，e2, e3, e4]T为模糊度解算单元各脉冲星的相位量测误差，设其服从零均值的4维正态分布，即e~N4 (0，R)，R为对称正定的方差矩阵，满足E(eeT)=R>0 ^=Lx1, X2, χ3]τ为航天器3维位置矢量^=Lb1, b2, b3, b4]T为脉冲星方向矢量矩阵，有
[0010]bfdi [cos δ jcos a i； cos δ jsin a i} sin δ Jt (i=l, 2, 3, 4)
[0011]其中，c为真空中的光速，4(1=1，2，3，4)为模糊度解算单元各脉冲星的自转频率，a i与δ i (i=l, 2，3，4)分别为模糊度解算单元各脉冲星的赤径与赤纬。
[0012]步骤3:建立线性模糊度接受域模型，具体步骤如下:
[0013]步骤3.1:定义C = 1-BX，其中，X= (BtR-1B)-1BtIT1, I为4阶单位阵。通过奇异值分解(SVD)Jf C分解为C = H1CT1V11，其中，O1SC的唯一非零奇异值，U1与V1分别为C对应于σ I的左奇异向量与右奇异向量。
[0014]步骤3.2:求得方差矩阵R的逆的开方矩阵W，W满足W≥0，且W2=R'
[0015]步骤3.3:给定显著性水平α，求得自由度为I的x 2分布的上侧分位I// (I)。
[0016]步骤3.4:建立线性模糊度接受域模型，表达式为
[0017]\lTm-M\<D
[0018]式中:
【权利要求】
1.一种快速脉冲星导航整周模糊度解算方法，其特征在于实现步骤如下: 步骤1:确定导航脉冲星与检验脉冲星 导航脉冲星为3颗，检验脉冲星为I颗，按照相位量测精度由高至低排序，3颗导航脉冲星与I颗检验脉冲星构成I个模糊度解算单元； 步骤2:建立模糊度解算单元的模糊度量测方程 所建立模糊度量测方程表达式为:
y=m+Bx+e 式中:m= Lm1, m2, m3, m4]T,为模糊度解算单元各脉冲星的模糊度^=Ly1, J2, y3, yJT为模糊度解算单元 各脉冲星的相位量测；e=[ei，e2, e3, e4]T为模糊度解算单元各脉冲星的相位量测误差，设其服从零均值的4维正态分布，即e~N4 (O, R)，R为对称正定的方差矩阵，满足E(eeT) =R>0 ^=Lx1, X2, χ3]τ为航天器3维位置矢量^=Lb1, b2, b3, b4]T为脉冲星方向矢量矩阵，有
IDi=Ci[cos δ jcos a j, cos δ jsin a i； sin δ JtQ=I, 2, 3, 4) 其中，c为真空中的光速，fi(i=l，2，3，4)为模糊度解算单元各脉冲星的自转频率，Cii与δ j (i=l, 2，3，4)分别为模糊度解算单元各脉冲星的赤径与赤纬； 步骤3:根据步骤2得到的模糊度量测方程I建立线性模糊度接受域模型，具体步骤如下: 步骤3.1:定义C E 1-BX，其中，X= (BtIT1B) 4BtR' I为4阶单位阵。通过奇异值分解(SVD)，将C分解为C = H1RV1'其中，σ iSC的唯一非零奇异值，七与V1分别为C对应于O1的左奇异向量与右奇异向量； 步骤3.2:求得方差矩阵R的逆的开方矩阵W，W满足W≥0，且W2=IT1; 步骤3.3:给定显著性水平α，求得自由度为I的X2分布的上侧分位数/ (I); 步骤3.4:建立线性模糊度接受域模型，表达式为
2.根据权利要求1所述的快速脉冲星导航整周模糊度解算方法，其特征在于:所述步骤6中Ym的确定遵循以下三个原则:(I) Υω>1 ；(2)要确保步骤8中粒子群算法在迭代次数N1内以尽可能高的概率找到步骤8中定义的初始接受域的一个解；(3)如果可以满足第二条原则，Ym值尽可能取大；基于上述三个原则，对于给定的模糊度搜索空间与选定的Rmax,通过数学仿真对Ym进行试配。
【文档编号】G06F19/00GK103674022SQ201310701574
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】黄良伟, 帅平, 陈绍龙, 贝晓敏 申请人:中国空间技术研究院