一種x射線脈沖星導(dǎo)航信號(hào)整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種X射線脈沖星導(dǎo)航信號(hào)整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)方法。技術(shù)方案是一個(gè)遞推解算過(guò)程，在任意的測(cè)量數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻k,k＞0，首先修正XNAV信號(hào)整周模糊度，然后估計(jì)航天器軌道和接收機(jī)鐘差，利用TDOA測(cè)量殘差采用稀疏尋優(yōu)方法檢測(cè)XNAV信號(hào)的整周模糊度，再采用標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波方法估計(jì)XNAV信號(hào)的整周模糊度的浮點(diǎn)解，最后采用四舍五入的取整運(yùn)算計(jì)算k時(shí)刻的整周模糊度。本發(fā)明過(guò)程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，并可有效降低檢測(cè)的漏警率和虛警率，提高整周模糊度檢測(cè)的穩(wěn)健性和整周模糊度估計(jì)的精度。
【專利說(shuō)明】一種X射線脈沖星導(dǎo)航信號(hào)整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)航信息獲取與處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種X射線脈沖星導(dǎo)航信號(hào)的整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]XNAV (x-ray pulsar-based navigation, X射線脈沖星導(dǎo)航)是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種天文導(dǎo)航技術(shù)，它基于X射線脈沖星輻射的高穩(wěn)定脈沖信號(hào)和已知的脈沖星空間位置信息，為觀測(cè)者提供航天器的位置、速度、姿態(tài)乃至?xí)r間等運(yùn)動(dòng)參數(shù)信息，相比地面雷達(dá)和GNSS (Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))等傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù),具有完全自主、穩(wěn)定、可靠和高精度等諸多優(yōu)勢(shì)。因此，將XNAV系統(tǒng)應(yīng)用于航天器自主導(dǎo)航，特別是深空探測(cè)中的行星際航天器自主導(dǎo)航，有重要的理論和實(shí)際意義。
[0003]X射線脈沖星導(dǎo)航信號(hào)是脈沖星輻射信號(hào)到航天器和空間參考點(diǎn)(如太陽(yáng)系質(zhì)心、地球質(zhì)心等)的TDOA (time difference of arrival,到達(dá)時(shí)間差)測(cè)量,它是導(dǎo)航接收機(jī)獲取的脈沖星輻射信號(hào)經(jīng)過(guò)降噪和相位估計(jì)等處理后獲得的，其整周模糊度的快速檢測(cè)和準(zhǔn)確估計(jì)是提高XANV導(dǎo)航性能的關(guān)鍵因素之一。TDOA測(cè)量的整周模糊度解算是一個(gè)三維空間解模糊問(wèn)題，傳統(tǒng)的空間搜索方法計(jì)算復(fù)雜度很高。為提高算法實(shí)時(shí)性，有學(xué)者提出直接利用TDOA測(cè)量或航天器軌道預(yù)測(cè)值估計(jì)整周模糊度的方法，然而由于TDOA測(cè)量誤差較大，以及系統(tǒng)工作初期 或發(fā)生故障時(shí)軌道預(yù)測(cè)精度較低，容易出現(xiàn)整周模糊度的漏檢和虛警，可靠性較低，這就要求我們提出高效穩(wěn)健的整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種高效穩(wěn)健的XNAV信號(hào)整周模糊度檢測(cè)和估計(jì)方法。本方法利用XNAV信號(hào)整周模糊度的相位整周特性和稀疏變化特性，將整周模糊度的檢測(cè)和估計(jì)看成系統(tǒng)誤差的估計(jì)問(wèn)題，采用稀疏尋優(yōu)方法，快速高效的完成整周模糊度的檢測(cè)與估計(jì)。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案的基本思路是，由于XNAV信號(hào)整周模糊度的出現(xiàn)和周跳變化通常只在少數(shù)幾個(gè)脈沖星測(cè)量通道內(nèi)發(fā)生，因此通過(guò)將整周模糊度等效為一種系統(tǒng)測(cè)量誤差，在每個(gè)新的TDOA測(cè)量時(shí)刻，首先利用之前估計(jì)得到的整周模糊度修正TDOA測(cè)量，然后估計(jì)航天器的軌道和接收機(jī)鐘差，再利用TDOA測(cè)量殘差進(jìn)行稀疏尋優(yōu)，檢測(cè)每個(gè)測(cè)量通道內(nèi)整周模糊度的存在性，最后利用TDOA測(cè)量殘差估計(jì)得到新的XNAV信號(hào)整周模糊度。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是，已知XNAV系統(tǒng)具有N顆脈沖星的測(cè)量通道，各測(cè)量通道的信號(hào)積累周期為ATi, i = 1，...，?，Ν，第i顆脈沖星TDOA測(cè)量的信號(hào)周期為U =1，...，i，N，第i顆脈沖星TDOA測(cè)量的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為σ i； i = I,...，i，N，第i顆脈沖星TDOA
測(cè)量的整周模糊度估計(jì)值的初值1 =OJ = I,2,...,N。在任意的測(cè)量數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻k，k > 0，
航天器接收到N顆X射線脈沖星的TDOA測(cè)量值&,，i = 1，2，...，N，進(jìn)行下述處理步驟:
[0007]步驟一:修正XNAV信號(hào)整周模糊度。[0008]將TDOA測(cè)量值減去k-Ι時(shí)刻的整周模糊度估計(jì)值，得到TDOA測(cè)量修正
量 t，i;k。
[0009]步驟二:估計(jì)航天器軌道和接收機(jī)鐘差。
[0010]根據(jù)航天器軌道動(dòng)力學(xué)特征和接收機(jī)鐘差的時(shí)間演化特性，采用典型的脈沖星非線性導(dǎo)航濾波方法(具體方法參照《關(guān)于X射線脈沖星導(dǎo)航的軌道力學(xué)問(wèn)題》，帥平等，中國(guó)科學(xué)E輯，2009.3，第556頁(yè)到第561頁(yè))，設(shè)計(jì)航天器狀態(tài)濾波器，以TDOA測(cè)量修正量t’ i；k, i = I, 2,..., N為濾波器輸入,估計(jì)航天器狀態(tài)Xk = [rk, vk, τ k]T,其中rk表示k時(shí)刻航天器的軌道位置，Vk表示k時(shí)刻航天器的軌道速度，τ k表示k時(shí)刻的導(dǎo)航接收機(jī)鐘差，并記濾波輸出的第i顆脈沖星TDOA測(cè)量殘差為Atu，i = I,…，N。
[0011 ] 步驟三:檢測(cè)XNAV信號(hào)的整周模糊度。
[0012]計(jì)算第i顆脈沖星的歸一化TDOA測(cè)量殘差yi，k:
[0013]Yiik=AtiikZoui = Ir^N(公式一)
[0014]對(duì)yk = [yi，k，…，yi，k...，yN，k]采用基于匹配追蹤的稀疏尋優(yōu)方法(具體方法參照((Fast Bayesian Matching Pursuit)), Philip Schniter, Information Theory andApplications Workshop, 2008,第326頁(yè)到第333頁(yè))，獲得yk中幅度大于a |yk|的分量，相應(yīng)通道的脈沖星組成k時(shí)刻可能存在整周模糊度的待選脈沖星序列。其中，稀疏度百分比α (O < α < I)作為稀疏度標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際情況確定。當(dāng)k < 5時(shí)，各通道TDOA測(cè)量的
整周模糊度估計(jì)值、保持為初值0，結(jié)束k時(shí)刻的數(shù)據(jù)處理步驟，轉(zhuǎn)入k+Ι時(shí)刻的數(shù)據(jù)處理步驟；當(dāng)k > 5時(shí)，若某脈沖星在最近5個(gè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻有不少于3次位于待選脈沖星序列內(nèi)，則判定該脈沖星在k時(shí)刻的TDOA測(cè)量存在整周模糊度。
[0015]步驟四:估計(jì)XNAV信號(hào)的整周模糊度。
[0016]將k時(shí)刻XNAV信號(hào)的整周模糊度Sk = [s1；k,…Si，k，…，sN，k]作為T(mén)DOA測(cè)量的系統(tǒng)誤差，建立如下的整周模糊度狀態(tài)方程:
[0017]Sk = CkSk-JUk (公式二)
[0018]其中Ck為NXN的對(duì)角矩陣，步驟三判定在k時(shí)刻存在整周模糊度的脈沖星序號(hào)對(duì)應(yīng)的Ck對(duì)角元素取值為1，否則取值為0，Sk^1為k-ι時(shí)刻XNAV信號(hào)的整周模糊度，Uk =[Ul,k)-Uiik,-)%k]為零均值高斯白噪聲向量，其第i個(gè)元素Ui，k的標(biāo)準(zhǔn)差為β Qi，其中比例系數(shù)β可根據(jù)實(shí)際情況確定。
[0019]建立k時(shí)刻的整周模糊度測(cè)量方程:
[0020]Ati k = Siik+ ε k i = I, 2,..., N (公式三)
[0021]其中ε k是標(biāo)準(zhǔn)差為σ i的零均值高斯白噪聲向量。
[0022]利用公式二和公式三采用標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波方法，估計(jì)得到XNAV信號(hào)的整周模糊度浮點(diǎn)解之,P f = U，__.，#，最后計(jì)算k時(shí)刻的第i顆脈沖星整周模糊度1:如下:
[0023]^ roiincHs)J/Ti)-Ti, / = 1,2,…,/V (公式四)
[0024]其中round表示四舍五入的取整函數(shù)。
[0025]本發(fā)明的 有益效果是:(I)采用基于匹配追蹤的稀疏尋優(yōu)方法進(jìn)行整周模糊度檢測(cè)，過(guò)程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的空間搜索法，實(shí)時(shí)性強(qiáng)；(2)將航天器狀態(tài)濾波器的TDOA測(cè)量殘差作為整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)的輸入，可減小原始TDOA測(cè)量中隨機(jī)誤差和粗差的影響，有效降低檢測(cè)的漏警率和虛警率，提高整周模糊度檢測(cè)的穩(wěn)健性和整周模糊度估計(jì)的精度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1是本發(fā)明的原理流程示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明實(shí)施例輸入的各脈沖星測(cè)量通道的相關(guān)參數(shù)；
[0028]圖3是本發(fā)明實(shí)施例輸入的航天器軌道根數(shù)；
[0029]圖4是整周模糊度檢測(cè)和估計(jì)結(jié)果；
[0030]圖5是航天器軌道位置估計(jì)誤差；
[0031 ]圖6是航天器軌道速度估計(jì)誤差；
[0032]圖7是航天器接收機(jī)鐘差估計(jì)誤差。
【具體實(shí)施方式】
[0033]圖1是本發(fā)明的原理流程示意圖。技術(shù)方案是一個(gè)遞推解算過(guò)程，在任意的測(cè)量數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻k，k > 0 ，首先修正XNAV信號(hào)整周模糊度，然后估計(jì)航天器軌道和接收機(jī)鐘差，利用TDOA測(cè)量殘差采用稀疏尋優(yōu)方法檢測(cè)XNAV信號(hào)的整周模糊度，再采用標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波方法估計(jì)XNAV信號(hào)的整周模糊度的浮點(diǎn)解，最后采用四舍五入的取整運(yùn)算計(jì)算k時(shí)刻的整周模糊度。
[0034]圖2至圖7是利用本發(fā)明進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
[0035]仿真實(shí)驗(yàn)中，航天器XNAV系統(tǒng)的脈沖星測(cè)量通道數(shù)N為6，航天器軌道根數(shù)見(jiàn)圖2所示，6顆脈沖星TDOA測(cè)量通道的信號(hào)周期等相關(guān)參數(shù)見(jiàn)圖3所示。導(dǎo)航接收機(jī)鐘差^為I微秒的常值，各通道信號(hào)積累周期八1均為500s，各脈沖星TDOA測(cè)量的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差Oi均為1.267微秒，仿真時(shí)長(zhǎng)為48小時(shí)。第I顆脈沖星的TDOA測(cè)量在80000s至100000s時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)I個(gè)周期的整周模糊度；第2顆脈沖星的TDOA測(cè)量在全仿真時(shí)段內(nèi)有4個(gè)周期的整周模糊度；第3顆脈沖星在20000s至120000s時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)I個(gè)周期的整周模糊度，在120000s至仿真結(jié)束出現(xiàn)3個(gè)周期的整周模糊度；第4、5、6顆脈沖星均未出現(xiàn)整周模糊度。步驟三中參數(shù)α取0.1，步驟四中參數(shù)β取1000。
[0036]圖4為6顆脈沖星TDOA測(cè)量的整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)結(jié)果。其中橫坐標(biāo)為時(shí)間(IO5s),縱坐標(biāo)為整周模糊度對(duì)應(yīng)的周期數(shù)(以下簡(jiǎn)稱為模糊數(shù))，空心圓圈形狀的曲線為模糊數(shù)真值，實(shí)心圓點(diǎn)形狀的曲線為模糊數(shù)估計(jì)值，箭頭指向的小塊曲線是模糊數(shù)曲線跳變處的局部放大圖。第1、3、5、6顆脈沖星均獲得了理想的整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)結(jié)果;第2顆脈沖星在經(jīng)歷了一段收斂時(shí)間后也得到理想的估計(jì)結(jié)果；第4顆脈沖星僅在初始階段出現(xiàn)了短暫的-1個(gè)周期的整周模糊度虛警?？傮w上，6顆脈沖星均可快速高精度的獲得令人滿意的整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)結(jié)果。
[0037]圖5、圖6和圖7分別為航天器XNAV的軌道位置、軌道速度和接收機(jī)鐘差的估計(jì)誤差曲線。其中橫坐標(biāo)為時(shí)間(S)，縱坐標(biāo)為各項(xiàng)估計(jì)誤差，實(shí)線為測(cè)量數(shù)據(jù)中無(wú)整周模糊度時(shí)的估計(jì)誤差，虛線為測(cè)量數(shù)據(jù)中有整周模糊度時(shí)并采用本方法后的估計(jì)誤差。從虛線中可以看出，導(dǎo)航濾波器在每次整周模糊度變化后快速收斂，各項(xiàng)誤差與無(wú)整周模糊度時(shí)相當(dāng)，取得了令人滿意的導(dǎo)航精度和穩(wěn)健性。
【權(quán)利要求】
1.一種X射線脈沖星導(dǎo)航信號(hào)整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)方法，X射線脈沖星導(dǎo)航記為XNAV,已知XNAV系統(tǒng)具有N顆脈沖星的測(cè)量通道，各測(cè)量通道的信號(hào)積累周期為AI^i =1，…，i，N，第i個(gè)測(cè)量通道即第i顆脈沖星的TDOA測(cè)量的信號(hào)周期為T(mén)i,,其中TDOA表示到達(dá)時(shí)間差，第i顆脈沖星TDOA測(cè)量的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為σ i，第i顆脈沖星TDOA測(cè)量的整周模糊度估計(jì)值的初值= O ;在任意的測(cè)量數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻k，k > 0，航天器接收到N顆X射線脈沖星的TDOA測(cè)量值&,，其特征在于，進(jìn)行下述處理步驟: 步驟一:修正XNAV信號(hào)整周模糊度: 將TDOA測(cè)量值減去k-Ι時(shí)刻的整周模糊度估計(jì)值t——,，得到TDOA測(cè)量修正量t，i;k ; 步驟二:估計(jì)航天器軌道和接收機(jī)鐘差: 根據(jù)航天器軌道動(dòng)力學(xué)特征和接收機(jī)鐘差的時(shí)間演化特性，采用典型的脈沖星非線性導(dǎo)航濾波方法設(shè)計(jì)航天器狀態(tài)濾波器，以TDOA測(cè)量修正量t’ u為濾波器輸入，估計(jì)航天器狀態(tài)Xk = [rk, vk, τ k]T,其中rk表示k時(shí)刻航天器的軌道位置,Vk表示k時(shí)刻航天器的軌道速度，τ k表示k時(shí)刻的導(dǎo)航接收機(jī)鐘差，并記濾波輸出的第i顆脈沖星TDOA測(cè)量殘差為Atiik ; 步驟三:檢測(cè)XNAV信號(hào)的整周模糊度: 計(jì)算第i顆脈沖星的歸一化TDOA測(cè)量殘差yi，k: Yi,k = Ati;k/σ i(公式一) 對(duì)yk = [yi;k,..., yi;k..., yN, J采用基于匹配追蹤的稀疏尋優(yōu)方法獲得yk中幅度大于α I IykI I的分量，相應(yīng)通道的脈沖星組成k時(shí)刻可能存在整周模糊度的待選脈沖星序列；其中，稀疏度百分比α作為稀疏度標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際情況確定且O < α < I ;當(dāng)k < 5時(shí)，各通道TDOA測(cè)量的整周模糊度估計(jì)值&保持為初值0，結(jié)束k時(shí)刻的數(shù)據(jù)處理步驟，轉(zhuǎn)入k+1時(shí)刻的數(shù)據(jù)處理步驟；當(dāng)k > 5時(shí)，若某脈沖星在最近5個(gè)數(shù)據(jù)獲取時(shí)刻有不少于3次位于待選脈沖星序列內(nèi)，則判定該脈沖星在k時(shí)刻的TDOA測(cè)量存在整周模糊度； 步驟四:估計(jì)XNAV信號(hào)的整周模糊度: 將k時(shí)刻XNAV信號(hào)的整周模糊度Sk = [s1；k,…Si，k，…，sN，k]作為T(mén)DOA測(cè)量的系統(tǒng)誤差，建立如下的整周模糊度狀態(tài)方程: Sk = CkSdUk(公式二) 其中Ck為NXN的對(duì)角矩陣，步驟三判定在k時(shí)刻存在整周模糊度的脈沖星序號(hào)對(duì)應(yīng)的Ck對(duì)角元素取值為1，否則取值為Ojlri為k-Ι時(shí)刻XNAV信號(hào)的整周模糊度，Uk = [u1；k,…Uiik，…，％k]為零均值高斯白噪聲向量，其第i個(gè)元素Ui，k的標(biāo)準(zhǔn)差為β Qi，其中比例系數(shù)β可根據(jù)實(shí)際情況確定； 建立k時(shí)刻的整周模糊度測(cè)量方程:
Δ ti；k = si；k+ ε k i = I, 2,..., N(公式三) 其中H是標(biāo)準(zhǔn)差為Oi的零均值高斯白噪聲向量； 利用公式二和公式三采用標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波方法，估計(jì)得到XNAV信號(hào)的整周模糊度浮點(diǎn)解之/，最后計(jì)算k時(shí)刻的第i顆脈沖星整周模糊度s ,如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線脈沖星導(dǎo)航信號(hào)整周模糊度檢測(cè)與估計(jì)方法，其特征在于，步驟三中參數(shù)α的取值是0.1，步驟四中參數(shù)β的取值是1000。
【文檔編號(hào)】G01C21/02GK103940424SQ201410147927
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】余安喜, 劉也, 董臻, 孫造宇, 杜湘瑜, 黃海風(fēng), 何峰, 何志華 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)