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X射线脉冲星导航信号处理方法和仿真实验系统研究

苏哲  
【摘要】:脉冲星是一种具有超高温、超高压、超强磁场和超高稳定周期的中子星,被誉为极端条件下的太空实验室、自然界最稳定的时钟。在脉冲星发现后的半个世纪中,其研究主要集中在天文和物理等研究领域。近几年来,随着航天技术的发展,脉冲星在深空导航中的应用研究逐渐受到关注。X射线脉冲星导航(XPNAV:X-ray Pulsar-based Navigation)是一种新型的天文自主导航技术,能够为近地轨道、深空和星际空间飞行的航天器提供位置、速度、时间和姿态等丰富的导航信息。XPNAV抗干扰能力强,可靠性高,适用范围广,具有重要的战略意义和巨大的发展潜力。 本文围绕X射线脉冲星导航中的微弱信号处理和仿真实验系统等关键问题开展研究工作,主要研究内容如下: 1.提出了一种基于离散方波变换(DSWT:Discrete Square Wave Transform)的脉冲星周期信号检测算法,并设计了其硬件实现方法。首先,通过对比DSWT和FFT变换核的相似性,证明了DSWT算法进行周期性检测的可行性,同时,研究了DSWT对白噪声的抑制作用;其次,DSWT的变换核仅取+1或-1,更适合硬件电路实现,给出了该算法的FPGA实现方法;最后,采用以Xilinx Spartan-3系列FPGA芯片XC3S2000为核心的开发板组成实验仿真系统,分别对实测和仿真脉冲星数据进行实验。结果表明:该算法可检测的信噪比低于FFT算法;在信号输入完毕后3个时钟周期内即可得出计算结果,耗时量小于FFT算法;实现该算法所需的硬件资源少于FFT算法。 2.分析了XPNAV系统中累积脉冲轮廓的特点,提出了一种基于选择Bispectra-Mellin (BM)谱的脉冲星累积脉冲轮廓辨识算法。该算法首先对累积脉冲轮廓进行双谱变换,提取平移不变特征信息,并抑制噪声;然后通过计算归一化双谱幅值的两维Mellin变换将双谱的尺度伸缩转换为BM谱的相位变化;最后利用简化的Fisher可分离度在BM幅度谱域降维,得到特征向量用于相关辨识。利用美国罗希X射线时变探测卫星(RXTE: Rossi X-ray Timing Explorer)的实测X射线脉冲星数据进行辨识实验,结果表明:该算法能对具有不同相位和尺度因子的累积脉冲轮廓进行有效辨识,辨识效果优于现有辨识算法;当相位间隔为4.8度时,该算法的辨识效果达到最佳;运算量小,适用于脉冲星导航系统。 3.为提高X射线脉冲星导航系统中累积脉冲轮廓时间延迟测量精度,提出了一种基于1(1/2)维谱的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算法。该算法首先通过计算累积脉冲轮廓的1(1/2)维谱抑制高斯噪声,同时将时域延迟量转换为频域相位差;然后利用最小均方误差法估计相位差。同现有算法相比,该算法具有较高的测量精度和较少的运算量。 4. 1(1/2)维谱无法抑制尺度伸缩对时间延迟测量的影响,为此,提出了一种新的时间延迟测量算法。该算法首先利用三阶互小波累积量进行粗略估计,可抑制尺度伸缩和噪声的影响;然后通过抛物面内插法精确测量时间延迟,避免了小步长的迭代运算,可大幅度降低算法的运算量。利用RXTE观测数据进行实验,结果表明:该算法可屏蔽由多普勒效应和相位间隔长度的不同引起的尺度伸缩,能够抑制噪声,测量误差小于现有算法;当相位间隔为0.9度时,该算法的测量精度达到最高;该算法运算量小,不足现有算法的10%,适用于XPNAV系统。 5.设计了一种X射线脉冲星导航仿真实验系统。该系统由脉冲星信号模拟和导航参数解算两部分组成。模拟部分采用非齐次泊松过程对光子到达太阳系质心的时间建模,时间转换后,模拟X射线探测器观测脉冲星时输出的脉冲信号。导航参数解算部分利用Delta-Correction方法解算模拟信号中蕴含的导航信息。该系统可同时模拟5颗脉冲星信号,成本低,精度高,可对脉冲星导航的信号处理和参数解算过程进行光子级仿真研究,并为后续空间搭载实验中原理样机的设计提供一定的参考。 6.提出了一种基于脉冲星导航和捷联惯导的容错组合导航系统方案。捷联惯导具有自主性和不间断性的优点,可弥补脉冲星导航滤波周期较长的缺陷;脉冲星导航的长期稳定度好,可抑制捷联惯导的误差随时间发散。该系统通过相位残差检测天体遮挡等因素引起的故障,利用联邦扩展卡尔曼滤波融合导航信息。仿真实验结果表明,同脉冲星导航方法相比,该方法具有更高的精度和更短的滤波周期,且不受天体遮挡的影响。


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