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X射线脉冲星高轨道卫星自主导航及其应用技术研究

乔黎  
【摘要】:X射线脉冲星自主导航技术(XNAV)是一种利用自然天体X射线脉冲星发出的周期性辐射进行航天器导航的方法,能够为近地、地月飞行以及太阳系内的航天器提供位置、速度、姿态和时间等丰富的导航信息。其研究涉及天文学、地球科学和空间科学多个学科,在航天器自主导航领域具有巨大发展潜力,是当前卫星自主导航研究的热点。本文以高轨道卫星自主导航应用为研究目标,对X射线脉冲星自主导航及其应用技术开展了研究,主要内容如下: 首先分析了X射线脉冲星的导航原理,通过分析了X射线光子到达时间转换模型和脉冲辐射的标准脉冲轮廓以及脉冲星钟模型,明确X射线脉冲星导航的物理机制。将脉冲星的物理特质以数学的方法表示,得出X射线脉冲星导航中最基本的两个数学模型,即光子时间转换模型和脉冲星钟模型。在此基础上,论文推导了X射线脉冲星的几何定轨原理。 针对高轨道卫星自主导航的具体问题,研究了X射线脉冲星的高轨道卫星自主导航原理、设计了X射线脉冲星量测与卫星轨道动力学结合的自主导航算法,即采用扩展卡尔曼滤波作为数据融合方法,利用X射线脉冲星脉冲TOA相位观测量不断修正高轨道卫星轨道动力学预报值。对算法中整周模糊度求解和相对论效应计算的问题,根据应用对象特性,利用轨道动力学预报值进行整周模糊度的快速确定及TOA传播方程中相对论效应近似值的计算,最后通过仿真验证了算法的有效性。 为了降低系统的复杂性和试验成本,论文研究了在卫星上安装单个X射线探测器的试验方案和单X射线脉冲的卫星自主导航算法以及其与紫外敏感器组合导航技术。首先采用分段式定常系统的可观测性方法分析了单X射线脉冲星导航系统可观性,为了增强单X射线脉冲星导航系统的可观性,提出与紫外敏感器组合导航的方法。采用了多个代表性的高轨道卫星进行试验,结果表明通过与紫外敏感器的组合解决了单X射线脉冲星导航的发散问题,提高了导航性能。 为了进一步提高高轨道卫星的导航精度与可靠性,论文提出了XNAV与GNSS组合导航的高轨道卫星自主导航方案。首先分析了当前单个GNSS卫星导航中存在的问题,然后提出多GNSS的高轨道卫星自主导航方法。在此基础上,采用联邦滤波信息融合技术,设计了XNAV与GNSS的组合导航算法,仿真实验分析并对比了各种组合模式下的导航性能,结果证实组合后的系统具有更好的导航精度,且两个系统互为备份,增强了卫星导航系统的可靠性。 最后,为了对论文中提出的算法和方案进行有效验证,将专业卫星仿真软件STK与MATLAB相结合,设计并实现了高轨道卫星轨道确定系统软件仿真系统,将论文中研究的算法进行了综合的性能仿真分析和测试,验证了算法的正确性,从而为算法的实际应用打下了坚实的基础。


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