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基于X射线脉冲星的航天器导航滤波算法仿真分析

李志豪  
【摘要】: 基于X射线脉冲星的航天器导航是一项新型的自主导航技术,它不仅适合于深空探测,也有利于地球轨道航天器的导航,具有可靠性强,自主性好,精确性高,适用性广等优点,极具发展潜力。目前各航天大国都在积极开展此项研究。本文在研究脉冲星导航的原理、系统组成和工作流程的基础上,结合两种滤波算法,对脉冲星导航进行了仿真分析,探讨提高脉冲星导航的精度。 论文首先介绍了坐标系统和时间系统,分析了脉冲星的相位时间模型;其次给出了原时与坐标时的转换方程和脉冲到达时间转换方程;介绍了脉冲星导航中定位和授时的常见方法,并基于增量估计方法详细介绍了脉冲星导航原理;然后基于脉冲星导航原理,对脉冲星导航系统的框架组成和工作流程进行了较为深入的研究与探索;针对EKF算法和UKF算法,建立了仿真模型,设置了统一的仿真交互环境;最后,结合航天器轨道动力学模型,对两种滤波算法在脉冲星导航中的性能进行了仿真分析和比对。 两种算法的仿真结果显示:当脉冲到达时间测量精度达到1μs ,脉冲星方位精度达到0.0001arcsec时,导航精度可达到10m量级。文章还从到达时间测量精度、脉冲星方位精度和滤波周期等方面对仿真结果进行了误差分析,结果显示:导航精度与到达时间测量精度近似成正比;脉冲星方位精度低于0.001arcsec时,导航精度大幅下降;滤波周期增大会明显降低EKF算法的导航精度,但是UKF算法受其影响较小。最后从滤波精度、运行时间和算法收敛性对两种滤波算法的性能进行了对比,对比显示,与EKF算法相比,UKF算法运算时间较长,但可以达到更高的导航精度,同时有着更好的收敛性。 基于X射线脉冲星的航天器导航是一项极具发展潜力的自主导航技术,本文的研究结果对于进一步开展脉冲星导航的系统组成、工作流程和滤波方法仿真研究有重要意义。


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