X射線脈沖星導航方法及其在衛(wèi)星軌道估計中的應用.pdf

1、X射線脈沖星導航(XNAV)是一種新型空間導航手段,依賴于數千光年外脈沖星的脈沖信號進行定位與授時。地球衛(wèi)星的軌道估計(Orbit Estimation)和航天器深空導航是XNAV的兩個主要應用領域。
　　本文以XNAV為研究的對象,以地球軌道衛(wèi)星的自主導航為研究背景,以研究XNAV的導航原理、新型導航模式為途徑,以構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航方案設

2、計的經驗指導和理論依據,并以全球導航衛(wèi)星星座(GNSS)的系統(tǒng)級導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的現實可行的高精度、高自主性和低需求的導航解決方案,并且為導航方案設計提供一系列理論和經驗指導工具。
　　論文的主要研究內容包括以下幾個方面:
　　首先,基于現有標準XNAV絕對式測量的基礎,給出了增量式XNAV和相對式XNAV的導航方程,并分析了三種模式下的

3、導航需求和測量噪聲,通過仿真對比了三種模式的導航效果。仿真與分析結果表明,標準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準式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EAF、局部評估算法——各狀態(tài)誤差放大系數EAFE。其中EAF可以量化評估一個導航方案的

4、可觀測性,能夠判斷方案是否能夠達到完全觀測,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和仿真結果證明了兩種數學工具的有效性。
　　第三,從航天器的重量限制和縮減導航成本的角度出發(fā),給出了各種衛(wèi)星星座和編隊下的需求最低、精度最高的最小導航方案。論文結合可觀測性分析算法 EAF和大量的仿真驗證

5、,確定了航天器群構型的軌道高度、軌道間松緊度以及構型的形狀會對相對導航手段的影響;最終確定了在單航天器導航中,僅需2顆脈沖星和單 X射線探測器即可達到完全觀測,而在多航天器導航中,僅需1可脈沖星即可達到完全觀測,且導航精度可達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航方案。
　　第四,根據脈沖星的高精度守時特性,結合可觀測性評估算法EAFE分析了利用

6、XNAV進行軌道估計時系統(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,而標準XNAV則能夠有效的對星鐘誤差進行估計。理論分析和仿真結果表明,僅在單脈沖星導航時,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50ns以內;而隨著導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)現作為系統(tǒng)級導航方案的