專利名稱：一種利用光學(xué)導(dǎo)航信息的脈沖到達時間差確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)導(dǎo)航信息的脈沖星信號到達時間差確定方法，屬于航天器自主導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)通過其自身的儀器設(shè)備確定航天器的位置和速度，能夠減輕航天任務(wù)對地面測控的依賴，減小星地通訊的頻率，提高航天器的自主生存能力。在過去的20年中，全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System/GPS)逐漸成為低軌地球衛(wèi)星的重要導(dǎo)航手段。但是，由于GPS系統(tǒng)主要對地面目標(biāo)提供導(dǎo)航服務(wù)，對高軌衛(wèi)星或深空探測器而言，GPS信號往往非常微弱，甚至無法接收到有效的GPS信號。此外，還要應(yīng)對GPS受到干擾或遭到破壞的情況。因此，在利用GPS進行導(dǎo)航的同時，有必要探索新的自主導(dǎo)航方式。X射線脈沖星導(dǎo)航是一種新興的航天器自主天文導(dǎo)航方式。脈沖星是恒星大部分核燃料已經(jīng)耗盡時通過爆發(fā)形成的致密天體。恒星不再燃燒核燃料時，不能以熱壓力的方式來支持自身的引力塌陷，導(dǎo)致星體收縮，在巨大的引力作用下，星體內(nèi)的電子和質(zhì)子結(jié)合成中子，從而形成高速自轉(zhuǎn)的中子星。中子星能夠沿磁極方向發(fā)射輻射波束，由于其自轉(zhuǎn)軸與磁極方向不一致，脈沖星的轉(zhuǎn)動帶著福射波束在宇宙中掃過一個巨大的錐形，當(dāng)福射波束掃過安裝在地面或航天器上的探測設(shè)備時，探測設(shè)備就接收到一個脈沖信號，猶如海上為船舶導(dǎo)航的燈塔，如

圖1所示。由于脈沖星具有極其致密和穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此，其自轉(zhuǎn)周期非常穩(wěn)定，所輻射的脈沖信號具有良好的周期穩(wěn)定性。X射線脈沖星能夠發(fā)射具有穩(wěn)定周期的X射線脈沖信號，是理想的導(dǎo)航天體源，被譽為“宇宙中的燈塔”、“自然界的天體鐘”。航天器上通過X射線探測器測量得到的脈沖星信號到達時間差觀測量反映了航天器位置誤差在脈沖星視線矢量上的投影，可用于對航天器的位置誤差進行修正，從而實現(xiàn)航天器自主導(dǎo)航。在成功探測到脈沖星不久，就有學(xué)者提出了脈沖星導(dǎo)航的概念。近些年來，不斷有新的脈沖星被發(fā)現(xiàn)和編目，作為脈沖星導(dǎo)航敏感器的X射線探測器技術(shù)也有了日新月異的發(fā)展，X射線探測器靈敏度提高的同時，其質(zhì)量體積不斷減??；x射線脈沖星導(dǎo)航逐漸成為航天器自主導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點。在航天器上通過X射線探測器獲取的原始觀測量是X射線光子到達時間觀測量。通過對X射線光子到達時間觀測量的處理獲取脈沖星信號到達時間差觀測量，是X射線脈沖星導(dǎo)航過程中的核心技術(shù)環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的信號處理方法是通過周期折疊方法，利用X射線光子到達時間觀測量構(gòu)建觀測脈沖輪廓，再將觀測脈沖輪廓與已知的標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓模版進行比對，二者之間的相位差反映了脈沖星信號到達時間差。應(yīng)當(dāng)注意，為了消除相對論效應(yīng)和多普勒效應(yīng)等因素對X射線脈沖星信號的影響，在應(yīng)用周期折疊方法獲取觀測脈沖輪廓之前，需要將在航天器上觀測得到的X射線光子到達時間轉(zhuǎn)換至某一空間參考點，時間轉(zhuǎn)換過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，時間轉(zhuǎn)換無法有效進行。此時，觀測脈沖輪廓會變得模糊，通過觀測脈沖輪廓和標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓模版比對計算得到的脈沖星信號到達時間差將是不準(zhǔn)確的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是為了解決航天器位置信息未知的情況下脈沖星信號到達時間差計算不準(zhǔn)確的問題，提出一種基于光學(xué)導(dǎo)航信息的脈沖星信號到達時間差確定方法，實現(xiàn)脈沖星信號到達時間差的準(zhǔn)確計算，為后續(xù)自主導(dǎo)航解算提供準(zhǔn)確的脈沖星信號到達時間差觀測量。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種利用光學(xué)導(dǎo)航信息的脈沖到達時間差確定方法，步驟如下(I)在一個脈沖星觀測時段內(nèi)，通過航天器上的X射線探測器記錄X射線光子到達時間；(2)通過航天器上的光學(xué)導(dǎo)航敏感器測量航天器的地心方向和地心距，將地心方向和地心距相乘并取反，得到航天器位置矢量；(3)利用通過步驟(2)獲得的航天器位置矢量建立時間轉(zhuǎn)換方程，通過時間轉(zhuǎn)換方程對步驟(I)中獲得的X射線光子到達時間進行時間轉(zhuǎn)換，將X射線光子到達時間轉(zhuǎn)換到太陽系質(zhì)心作為空間參考點；(4)通過周期折疊方法對步驟(3)中所述經(jīng)過時間轉(zhuǎn)換的X射線光子到達時間數(shù)據(jù)進行處理，構(gòu)造觀測脈沖輪廓函數(shù)；(5)利用標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓函數(shù)和步驟⑷獲得的觀測脈沖輪廓函數(shù)建立代價函數(shù)，基于所述代價函數(shù)進行非線性優(yōu)化，從而得到自主導(dǎo)航需要的脈沖到達時間差觀測量。所述步驟(3)中時間轉(zhuǎn)換方程為
權(quán)利要求
1.一種利用光學(xué)導(dǎo)航信息的脈沖到達時間差確定方法，其特征在于步驟如下(1)在一個脈沖星觀測時段內(nèi)，通過航天器上的X射線探測器記錄X射線光子到達時間；(2)通過航天器上的光學(xué)導(dǎo)航敏感器測量航天器的地心方向和地心距，將地心方向和地心距相乘并取反，得到航天器位置矢量；(3)利用通過步驟(2)獲得的航天器位置矢量建立時間轉(zhuǎn)換方程，通過時間轉(zhuǎn)換方程對步驟(I)中獲得的X射線光子到達時間進行時間轉(zhuǎn)換，將X射線光子到達時間轉(zhuǎn)換到太陽系質(zhì)心作為空間參考點；(4)通過周期折疊方法對步驟(3)中所述經(jīng)過時間轉(zhuǎn)換的X射線光子到達時間數(shù)據(jù)進行處理，構(gòu)造觀測脈沖輪廓函數(shù)；(5)利用標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓函數(shù)和步驟(4)獲得的觀測脈沖輪廓函數(shù)建立代價函數(shù)，基于所述代價函數(shù)進行非線性優(yōu)化，從而得到自主導(dǎo)航需要的脈沖到達時間差觀測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用光學(xué)導(dǎo)航信息的脈沖到達時間差確定方法，其特征在于所述步驟(3)中時間轉(zhuǎn)換方程為其中，tpbs)為航天器上所記錄的X射線光子到達時間，即脈沖星發(fā)射的X射線光子到達航天器的時間表示經(jīng)過時間轉(zhuǎn)換的X射線光子到達時間，c表示光速，單位矢量η是脈沖星視線矢量，D。表示太陽系質(zhì)心到脈沖星的距離，μ 3表示太陽引力場系數(shù)，b表示太陽系質(zhì)心相對于太陽系中心的位置矢量，fse,Jt表示航天器位置矢量在太陽系質(zhì)心慣性系中的投影。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用光學(xué)導(dǎo)航信息的脈沖到達時間差確定方法，其特征在于所述步驟(4)中通過周期折疊方法對經(jīng)過時間轉(zhuǎn)換的X射線光子到達時間數(shù)據(jù)進行處理,構(gòu)造觀測脈沖輪廓函數(shù)具體為通過公式
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用光學(xué)導(dǎo)航信息的脈沖到達時間差確定方法，其特征在于所述代價函數(shù)為
全文摘要
一種利用光學(xué)導(dǎo)航信息的脈沖到達時間差確定方法，其基本流程為首先，將通過航天器上的光學(xué)導(dǎo)航敏感器獲得的航天器位置信息用于建立時間轉(zhuǎn)換方程，對通過X射線探測器觀測得到的X射線光子到達時間觀測量進行時間轉(zhuǎn)換；其次，基于經(jīng)過時間轉(zhuǎn)換的X射線光子到達時間數(shù)據(jù)，通過周期折疊方法獲得觀測脈沖輪廓；再次，將觀測脈沖輪廓和已知的標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓進行比對，計算得到脈沖星信號到達時間差，所得到的脈沖星信號到達時間差可作為航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)的觀測量。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)脈沖星信號到達時間差的準(zhǔn)確計算，為航天器自主導(dǎo)航系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的脈沖星信號到達時間差觀測量。
文檔編號G01C21/24GK102997922SQ20121050454
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月30日
發(fā)明者王大軼, 熊凱, 褚永輝, 黃翔宇 申請人:北京控制工程研究所