脉冲星导航试验卫星空间计时数据的初步分析

脉冲星导航试验卫星(X-ray pulsar-based navigation-1, XPNAV-1)是我国首颗致力于探索X射线脉冲星导航技术的空间试验平台，已在轨运行七年多，获得大批观测数据，本文收集了该卫星三年多的空间观测数据，开展了一些有益的技术探索.首先处理分析了卫星对Crab脉冲星观测数据，得到Crab脉冲星的每轨、每天和总脉冲轮廓，结果表明，在时间维度上脉冲轮廓是稳定的，与国内外观测结果一致性较好；其次得到Crab脉冲星不同能段脉冲轮廓，分析了脉冲轮廓随能量变化特征；在能量维度上，得到了Crab脉冲星在不同脉冲相位区间的能谱，发现能谱与相位区间的脉冲强度成正比，表明我国自主研制的聚焦型X射线探测器具备良好的技术状态，也实现了卫星精确地“看得见”脉冲星的试验目标.最后利用XPNAV-1卫星的三天观测数据，实现基于最小二乘算法的脉冲星导航试验解算，得到卫星轨道确定精度约为56.93 km，分析发现XPNAV-1星对Crab脉冲星观测误差和初始轨道误差对当前导航解算精度影响较大.     

X射线脉冲星单星动力学定轨

基于单脉冲星的动力学定轨,在X射线脉冲星导航技术尚不成熟时具有较强的实用价值.将X射线脉冲星观测方程与航天器动力学模型相结合,系统研究了利用X射线脉冲星观测量进行单星动力学定轨的方法原理.利用仿真数据量化分析了各项因素对定轨精度的影响,指出X射线脉冲星方向单位向量越靠近航天器轨道面单星定轨位置精度越差.因此提出了单探测器轮流观测多颗脉冲星的准多星定轨方法,从而使定轨精度由km量级提高到了20 m.     

脉冲星计时数据的处理理论与方法研究EI北大核心CSCD

脉冲星是高速旋转且自转频率极其稳定的中子星,它们的位置坐标可精确测定,犹如恒星星表一样构成一种高精度惯性参考系;它们辐射的X射线脉冲信号具有高稳定周期和高稳态轮廓特性,部分毫秒脉冲星自转频率长期稳定度优于地面原子钟,因此能够为飞行器深空航行提供良好的时间和空间参考基准,提升航天器大范围长航时的自主导航能力和在轨自主运行能力,提高我国控制空间的本领。     

X射线脉冲星导航定位技术研究

X射线天文学催生了X射线脉冲星导航,并为其提供了理论和技术基础,本文分析了X射线脉冲星导航的原理和计算方法,介绍脉冲星导航研究的重大意义及进展情况,分别对该技术涉及的关键技术,即脉冲星巡天、脉冲到达时间、X脉冲探测器、时空基准的建立与维持和导航算法等做了介绍。     

1PN近似下脉冲星导航的观测方程及精度分析

完整推导1PN度规形式下脉冲到达时间方程与脉冲星导航的观测方程。分析导航观测中的相对论影响;给出观测方程的级数展开形式,在此基础上分析脉冲星历表参数对观测时间的影响;讨论行星星历误差对观测时间的影响;推导星体扁率引起的测量时延表达式,分析不同星体扁率引起的时延量级。     

一种利用三阶互小波累积量的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算法

针对运动航天器收到的脉冲星信号受Doppler效应影响,难以准确测量脉冲到达时间的问题,提出了基于三阶小波互累积量的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算法。结果表明,当信号受到Doppler效应影响时,该算法测量精度优于现有算法,适用于脉冲星导航系统中脉冲到达时间的测量。     

相对论框架下脉冲星导航的2PN观测方程研究

介绍了脉冲星导航的研究进展,顾及天体的四极矩和角动量,推导了脉冲星导航的2PN观测方程,对导航观测方程中的2PN相对论效     

利用综合脉冲星时实现地球时

以澳大利亚国家天文台Parks射电望远镜观测到的12颗毫秒脉冲星共十余年的实测计时数据为基础,首先根据互相关法获取脉冲到达时间及其误差,分析太阳系质心时的计时残差,然后运用傅里叶级数建立综合脉冲星时模型,从而实现地球时,并利用σ_z方法评估了它的稳定度。结果表明,综合脉冲星时的稳定度呈现线性增强趋势,10 a的稳定度高于10-15。白噪声是主要噪声来源,其对稳定度的影响随着时间的增长逐渐减弱。综合脉冲星时的稳定性和BIPM（2013）相当,可以作为地球时的一种实现方式。     

X射线脉冲星导航中脉冲轮廓的频偏和时延算法

观测轮廓与标准轮廓的频率偏差和时间延迟是X射线脉冲星导航的两个观测量,讨论其计算方法并提出如下改进意见:①对探测器的最小分辨时间作进一步的时间细分,在每一个小的时间间隔内接收的光子数可以假设满足二项分布,再对观测轮廓叠加可以求得更高精度的频偏;②将实际观测轮廓分为理想轮廓及其偏差两部分,而TOA是指理想轮廓与标准轮廓的时延,Sala等人提出的用相关函数求TOA方法仅对理想轮廓成立;③如果实际轮廓在测量过程中形状不变,则偏差产生的TOA估计误差为一常数。在此基础上提出实际观测轮廓的TOA估计方法,其计算精度小于探测器的最小分辨率。     

广义相对论框架中有关时间的定义与应用

在完整后牛顿近似下的太阳系质心参考系和地球质心参考系的定义及其转换关系的基础上,研究了在广义相对论框架下各种时间系统(太阳系质心坐标时、地球质心坐标时、太阳系动力学时和地球时)的定义、以及它们的具体实现和相互之间的转换关系,为空间大地测量学的研究提供了明确的时间概念和理论依据.     

相对论框架中的VLBI观测模型

本文以太阳系质心参考系为基础推导了VLBI时延和引力延迟的后牛顿表达式;讨论了各天体对VLBI时延的影响量级及其作用范围;并根据地心参考系与太阳系质心参考系的坐标转换关系,给出了地心参考系中的VLBI观测模型。建议采用(25)式和(16)式作为VLBI时延和引力延迟改正的计算公式。     

利用X射线脉冲星进行同步定位/授时的可观性分析

将星载时钟钟差增广为状态向量,根据非线性系统的可观性秩条件判据,从理论上证明了利用X射线脉冲星进行同步定位/授时是可观的,为X射线脉冲星自主导航的工程应用提供了理论依据。     

X射线脉冲星航天器姿态确定方法研究

本文阐述了利用X射线脉冲星实现航天器姿态确定的成像仪定姿、探测器扫描定姿和垂直双矢量相对定位姿态的3种方法,介绍了其基本原理;分析了3类方法与现有姿态确定方法相比存在的优势;并利用仿真数据分析了垂直双矢量相对定位姿态确定方法;研究了时延测定误差、可观测脉冲星数、脉冲星历表误差等对姿态确定精度的影响,得出了有益的结论.     

IMU辅助X射线脉冲星的深空探测器精确定姿方法及仿真

为满足深空探测器的精确定姿需求,提出了一种惯性测量单元(IMU)辅助的X射线脉冲星定姿方法。该方法用IMU的速率陀螺来估计航天器短时姿态,观测两颗或多颗脉冲星的X射线辐射信号,将拟合得到的观测矢量作为滤波器信息输入,利用这两种测姿手段在时间和空间上的互补特性,提供一种全天候、抗干扰性强的定姿方法。仿真结果表明,相比于EKF,基于UKF的俯仰、横滚和偏航三姿态角的测量精度可提高21.9%、21.1%和31.7%;与仅使用脉冲星或IMU的定姿方法相比,组合定姿方法的俯仰角估计精度分别提高了32.5%和77.6%。     

高轨飞行器精确导航的载波相位时间差分/捷联惯导紧组合算法

提出了基于载波相位时间差分与捷联惯导紧组合的方法对高轨飞行器进行自主导航,其中捷联惯导主要在飞行器进行轨道机动时使用,分析了载波相位观测方程中的误差因素,通过SRUKF建立了组合导航非线性滤波模型,研究了周跳检测与修复策略。研究表明,提出的导航方法避免了整周模糊度的求解和周跳的影响,因而可使导航系统具有高精度和高可靠性...     

修正扩维无迹卡尔曼滤波算法研究

在脉冲星导航中，角位置误差是主要的误差源之一。因此本文基于X射线脉冲星导航，提出了一种修正扩维无迹卡尔曼滤波（MASUKF）算法进行角位置误差的改进。MASUKF算法在原扩维无迹卡尔曼滤波（ASUKF）算法的基础上加入了Roamer延迟的高阶项，并将其作为误差项，将修改后的误差项代入状态方程与量测方程中，即可进行仿真分析。在仿真中，首先将ASUKF算法与UKF算法进行对比仿真模拟试验，结果显示ASUKF算法能显著地提高约45 m的定位精度，在X、Y、Z 3方向的速度误差估计精度约提高了20%；然后比较ASUKF与MASUKF算法，结果显示MASUKF算法较ASUKF算法的速度误差与位置误差的估计精度均提高2%以上。     

基于X射线脉冲星的航天器动力学定轨

系统研究了利用X射线脉冲星观测量进行动力学定轨的全过程,给出了观测数据仿真的基本流程,并利用仿真数据对各项因素对定轨精度的影响进行了量化分析。     

历元间差分定位模型的粗差探测法探测周跳

假设前一历元的测站点为已知点,当前历元的测站点为未知点,当前历元和前一历元相同卫星的相位观测值取差作为观测值,观测值与当前历元点位坐标的函数关系式称为历元间差分定位模型.本文以历元间差分定位模型构造误差方程,进行最小二乘平差,提出应用Baarda数据探测法对差分观测值进行粗差探测,可准确确定观测值中的周跳.实际算例验证...     

完整后牛顿近似下原时与坐标时的转换

IAU2000通过了新的时空参考系和时间尺度决议,建议时空坐标理论必须在完整的后牛顿近似下来考虑.基于IAU2000决议,文中研究了在完整后牛顿近似下相对论参考系的基本概念、太阳系质心天球参考系(BCRS)和地球质心天球参考系(GCRS)的定义及其转换公式;推导了原时与坐标时之间的理论关系和严格转换公式.得到的理论公式可为进一步确定或定义相对论框架下的其它时间尺度(例如地球时和太阳系动力学时)提供了严格的理论基础和依据.     

融合TOA/AOD的5G/SINS紧组合导航定位算法分析

针对5G定位和捷联惯性导航单一定位方式的可靠性和定位精度较差的问题,本文以扩展卡尔曼滤波为基础,提出了融合5G信号到达时间和信号离开角的5G/SINS紧组合导航算法。该算法首先利用惯性传感器输出信息解算用户的位置、速度和姿态,在此基础上利用已知的基站坐标反算出一组虚拟的5G观测值,然后使用该观测值和实际的5G测量值建立统一的观测方程进行滤波解算。仿真试验结果表明,5G/SINS紧组合的定位成功率可达99%以上,且能够有效改善惯导航位推算的发散问题,其定位精度相比单纯的5G定位有了大幅提高,相比5G/SINS松组合受基站数量和基站几何分布的影响较小。融合TOA/AOD的5G/SINS紧组合导航的定位结果有超过99%的历元在3 m以内。在5G观测值中存在系统误差时,5G/SINS紧组合的定位表现优于5G定位和5G/SINS松组合导航。