X射線脈沖星導(dǎo)航方法及其在衛(wèi)星軌道估計中的應(yīng)用.pdf

1、X射線脈沖星導(dǎo)航(XNAV)是一種新型空間導(dǎo)航手段,依賴于數(shù)千光年外脈沖星的脈沖信號進(jìn)行定位與授時。地球衛(wèi)星的軌道估計(Orbit Estimation)和航天器深空導(dǎo)航是XNAV的兩個主要應(yīng)用領(lǐng)域。
　　本文以XNAV為研究的對象,以地球軌道衛(wèi)星的自主導(dǎo)航為研究背景,以研究XNAV的導(dǎo)航原理、新型導(dǎo)航模式為途徑,以構(gòu)造地球軌道飛行器的可觀測性評估算法為理論分析手段,以分析軌道估計的最小條件、分析XNAV修正鐘差的效果為導(dǎo)航方案設(shè)

2、計的經(jīng)驗指導(dǎo)和理論依據(jù),并以全球?qū)Ш叫l(wèi)星星座(GNSS)的系統(tǒng)級導(dǎo)航仿真作為論文綜合工作成果正確性、有效性的驗證,論文最終的目的是為地球軌道衛(wèi)星修正提供一套基于XNAV的現(xiàn)實可行的高精度、高自主性和低需求的導(dǎo)航解決方案,并且為導(dǎo)航方案設(shè)計提供一系列理論和經(jīng)驗指導(dǎo)工具。
　　論文的主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　首先,基于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)XNAV絕對式測量的基礎(chǔ),給出了增量式XNAV和相對式XNAV的導(dǎo)航方程,并分析了三種模式下的

3、導(dǎo)航需求和測量噪聲,通過仿真對比了三種模式的導(dǎo)航效果。仿真與分析結(jié)果表明,標(biāo)準(zhǔn)XNAV容易受鐘差影響,而增量式和相對式XNAV模式幾乎不受鐘差影響且精度與標(biāo)準(zhǔn)式XNAV相近,兩種新型XNAV模式更加適用于地球軌道衛(wèi)星的軌道估計。
　　其次,針對衛(wèi)星軌道估計中可觀測性分析理論的空白,提出了一套可觀測性評估算法:全局可觀測性評估算法——誤差放大系數(shù)EAF、局部評估算法——各狀態(tài)誤差放大系數(shù)EAFE。其中EAF可以量化評估一個導(dǎo)航方案的

4、可觀測性,能夠判斷方案是否能夠達(dá)到完全觀測,并且能夠比較不同方案間的可觀測性優(yōu)劣;而EAFE則能夠深入考察一個導(dǎo)航方案中各個狀態(tài)變量的可觀測性情況,能夠輔助深入分析方案中特定狀態(tài)變量如星鐘誤差的可觀測性情況。論文利用充分的理論推導(dǎo)和仿真結(jié)果證明了兩種數(shù)學(xué)工具的有效性。
　　第三,從航天器的重量限制和縮減導(dǎo)航成本的角度出發(fā),給出了各種衛(wèi)星星座和編隊下的需求最低、精度最高的最小導(dǎo)航方案。論文結(jié)合可觀測性分析算法 EAF和大量的仿真驗證

5、,確定了航天器群構(gòu)型的軌道高度、軌道間松緊度以及構(gòu)型的形狀會對相對導(dǎo)航手段的影響;最終確定了在單航天器導(dǎo)航中,僅需2顆脈沖星和單 X射線探測器即可達(dá)到完全觀測,而在多航天器導(dǎo)航中,僅需1可脈沖星即可達(dá)到完全觀測,且導(dǎo)航精度可達(dá)10m左右水平。論文提出了基于單 X射線探測器輪流觀測多脈沖星的導(dǎo)航方案,通過仿真和分析說明了該方案是最適于航天器編隊的導(dǎo)航方案。
　　第四,根據(jù)脈沖星的高精度守時特性,結(jié)合可觀測性評估算法EAFE分析了利用

6、XNAV進(jìn)行軌道估計時系統(tǒng)對星鐘誤差的可觀測性情況,并得出了采用增量式和相對式XNAV時星鐘誤差無法觀測,而標(biāo)準(zhǔn)XNAV則能夠有效的對星鐘誤差進(jìn)行估計。理論分析和仿真結(jié)果表明,僅在單脈沖星導(dǎo)航時,即使系統(tǒng)不完全可觀測鐘差也可以被觀測,且授時精度較高可達(dá)50ns以內(nèi);而隨著導(dǎo)航精度和可觀測性的提升,鐘差的估計精度也會隨之提高到15ns的水平,滿足GPS星座的授時要求。
　　最后,綜合以上各項理論評估算法和研究發(fā)現(xiàn)作為系統(tǒng)級導(dǎo)航方案的