基于X射線脈沖星導(dǎo)航的信號(hào)分析與處理.pdf

1、如何實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)器的完全自主導(dǎo)航是空間探測(cè)中的一個(gè)頭等難題。目前航天器的導(dǎo)航方式主要有天文導(dǎo)航，衛(wèi)星導(dǎo)航，慣性導(dǎo)航和地基導(dǎo)航。但都不能滿足深空探測(cè)的需要，X射線脈沖星導(dǎo)航的出現(xiàn)使得這一問(wèn)題得到了解決。 X射線脈沖星信號(hào)分析和處理包括光子到達(dá)時(shí)刻轉(zhuǎn)換、脈沖輪廓構(gòu)建、信號(hào)頻率和相位估計(jì)，是本文的主要研究?jī)?nèi)容。圍繞X射線脈沖星信號(hào)的分析和處理，還開(kāi)展了信號(hào)模擬，相對(duì)論效應(yīng)影響等問(wèn)題的研究，主要研究?jī)?nèi)容包括：
　　介紹X射線脈沖星導(dǎo)航的基

2、礎(chǔ)理論，包括脈沖星的基本特性，時(shí)空基準(zhǔn)，定位原理和導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)。介紹了脈沖星的基本概念及其分類，分布和輻射特性，說(shuō)明了適合作為導(dǎo)航信源的脈沖星的特點(diǎn)。研究了X射線脈沖星導(dǎo)航中涉及到的相對(duì)論時(shí)空基準(zhǔn)，包括相對(duì)論時(shí)空的基本描述方法，參考系的定義和實(shí)現(xiàn)，時(shí)間尺度的定義和轉(zhuǎn)換關(guān)系。介紹了X射線脈沖星導(dǎo)航的基本原理和相對(duì)論效應(yīng)的影響。脈沖星導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)的研究?jī)?nèi)容包括導(dǎo)航脈沖星的選擇、脈沖相位模型的建立方法和脈沖輪廓的概念。
　　信號(hào)模擬為信號(hào)的

3、分析和處理提供 X射線脈沖星信號(hào)源。提出一種基于精確光子流量函數(shù)的純數(shù)值X射線脈沖星信號(hào)的模擬算法。首先建立了X射線脈沖星信號(hào)模型，然后利用分布函數(shù)導(dǎo)出了信號(hào)模擬算法，最后通過(guò)仿真檢驗(yàn)?zāi)M算法的有效性。模擬生成PSR B0531+21脈沖星的信號(hào)，并利用χ2擬合優(yōu)度檢驗(yàn)驗(yàn)證模擬算法生成的光子到達(dá)時(shí)刻服從泊松分布。將模擬的脈沖星信號(hào)進(jìn)行歷元折疊獲得觀測(cè)脈沖輪廓，并將其與標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓比較，發(fā)現(xiàn)隨著觀測(cè)時(shí)間的增長(zhǎng)，觀測(cè)脈沖輪廓趨近于標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪

4、廓，也驗(yàn)證模擬算法是可行的。
　　探測(cè)器接收的脈沖星信號(hào)頻率存在多普勒頻移，必須利用頻率估計(jì)算法才能得到信號(hào)的頻率。本文采用樣本方差法進(jìn)行頻率估計(jì)。對(duì)樣本方差法統(tǒng)計(jì)量的分析顯示，樣本方差關(guān)于搜索頻率的函數(shù)在真值附近是離散的凸函數(shù)，可以采用一維最優(yōu)化方法進(jìn)行頻率搜索。使用黃金分割法的仿真結(jié)果表明，最優(yōu)化方法極大地減少了搜索次數(shù)，提高了搜索速度。針對(duì)多普勒頻移中頻率不恒定的問(wèn)題，提出利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)轉(zhuǎn)化非恒定頻率為恒定頻率的方法，解決

5、了非恒定頻率的搜索問(wèn)題。通過(guò)對(duì)頻率搜索精度與時(shí)間倉(cāng)數(shù)目的仿真分析，發(fā)現(xiàn)搜索精度與時(shí)間倉(cāng)數(shù)目的關(guān)系，并總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，使得頻率估計(jì)算法在搜索精度和速度方面得到進(jìn)一步的提高。
　　脈沖相位估計(jì)是X射線脈沖星定位的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?？偨Y(jié)了最小二乘法，互相關(guān)法和極大似然估計(jì)三種相位估計(jì)算法，并提出了一種改進(jìn)的極大似然估計(jì)算法。推導(dǎo)了每種算法的方差計(jì)算公式，并分析比較了不同算法的精度和運(yùn)算速度。分析結(jié)果表明，這幾種算法都是漸進(jìn)無(wú)偏的，但最小二乘法和

6、互相關(guān)法不是最小方差無(wú)偏估計(jì)。極大似然估計(jì)雖然是最小方差無(wú)偏估計(jì)，但其計(jì)算量較大，提出的改進(jìn)算法利用歷元折疊減少了計(jì)算量，并保持原有的精度。
　　分析了相對(duì)論效應(yīng)對(duì)X射線脈沖星信號(hào)分析和處理的影響。給出了考慮相對(duì)論效應(yīng)時(shí)的定位流程。分析了固有時(shí)到坐標(biāo)時(shí)轉(zhuǎn)換對(duì)頻率估計(jì)精度的影響，和Parallax、Shapiro效應(yīng)對(duì)相位差測(cè)量的影響。發(fā)現(xiàn)當(dāng)航天器與太陽(yáng)的距離足夠遠(yuǎn)時(shí)，可以不進(jìn)行時(shí)間轉(zhuǎn)換直接利用固有時(shí)估計(jì)頻率。
　　X射線脈沖