X射線脈沖星高軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航及其應(yīng)用技術(shù)研究.pdf

1、X射線脈沖星自主導(dǎo)航技術(shù)(XNAV)是一種利用自然天體X射線脈沖星發(fā)出的周期性輻射進行航天器導(dǎo)航的方法，能夠為近地、地月飛行以及太陽系內(nèi)的航天器提供位置、速度、姿態(tài)和時間等豐富的導(dǎo)航信息。其研究涉及天文學(xué)、地球科學(xué)和空間科學(xué)多個學(xué)科，在航天器自主導(dǎo)航領(lǐng)域具有巨大發(fā)展?jié)摿?，是?dāng)前衛(wèi)星自主導(dǎo)航研究的熱點。本文以高軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航應(yīng)用為研究目標(biāo)，對X射線脈沖星自主導(dǎo)航及其應(yīng)用技術(shù)開展了研究，主要內(nèi)容如下：
　　 首先分析了X射線脈沖星

2、的導(dǎo)航原理，通過分析了X射線光子到達時間轉(zhuǎn)換模型和脈沖輻射的標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓以及脈沖星鐘模型，明確X射線脈沖星導(dǎo)航的物理機制。將脈沖星的物理特質(zhì)以數(shù)學(xué)的方法表示，得出X射線脈沖星導(dǎo)航中最基本的兩個數(shù)學(xué)模型，即光子時間轉(zhuǎn)換模型和脈沖星鐘模型。在此基礎(chǔ)上，論文推導(dǎo)了X射線脈沖星的幾何定軌原理。
　　 針對高軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航的具體問題，研究了X射線脈沖星的高軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航原理、設(shè)計了X射線脈沖星量測與衛(wèi)星軌道動力學(xué)結(jié)合的自主導(dǎo)航算法，即

3、采用擴展卡爾曼濾波作為數(shù)據(jù)融合方法，利用X射線脈沖星脈沖TOA相位觀測量不斷修正高軌道衛(wèi)星軌道動力學(xué)預(yù)報值。對算法中整周模糊度求解和相對論效應(yīng)計算的問題，根據(jù)應(yīng)用對象特性，利用軌道動力學(xué)預(yù)報值進行整周模糊度的快速確定及TOA傳播方程中相對論效應(yīng)近似值的計算，最后通過仿真驗證了算法的有效性。
　　 為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性和試驗成本，論文研究了在衛(wèi)星上安裝單個x射線探測器的試驗方案和單x射線脈沖的衛(wèi)星自主導(dǎo)航算法以及其與紫外敏感器組合

4、導(dǎo)航技術(shù)。首先采用分段式定常系統(tǒng)的可觀測性方法分析了單X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)可觀性，為了增強單X射線脈沖星導(dǎo)航系統(tǒng)的可觀性，提出與紫外敏感器組合導(dǎo)航的方法。采用了多個代表性的高軌道衛(wèi)星進行試驗，結(jié)果表明通過與紫外敏感器的組合解決了單X射線脈沖星導(dǎo)航的發(fā)散問題，提高了導(dǎo)航性能。
　　 為了進一步提高高軌道衛(wèi)星的導(dǎo)航精度與可靠性，論文提出了XNAV與GNSS組合導(dǎo)航的高軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航方案。首先分析了當(dāng)前單個GNSS衛(wèi)星導(dǎo)航中存在的問

5、題，然后提出多GNSS的高軌道衛(wèi)星自主導(dǎo)航方法。在此基礎(chǔ)上，采用聯(lián)邦濾波信息融合技術(shù)，設(shè)計了XNAV與GNSS的組合導(dǎo)航算法，仿真實驗分析并對比了各種組合模式下的導(dǎo)航性能，結(jié)果證實組合后的系統(tǒng)具有更好的導(dǎo)航精度，且兩個系統(tǒng)互為備份，增強了衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可靠性。
　　 最后，為了對論文中提出的算法和方案進行有效驗證，將專業(yè)衛(wèi)星仿真軟件STK與MATLAB相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了高軌道衛(wèi)星軌道確定系統(tǒng)軟件仿真系統(tǒng)，將論文中研究的算法進行