X射線導(dǎo)航通信一體化技術(shù)研究.pdf

1、隨著空間探測的持續(xù)發(fā)展和深入，深空探測任務(wù)正從以前的短期、粗略探測轉(zhuǎn)向以長時間、高分辨率、自主性強、多平臺合作為特點的探測，這無疑對未來深空導(dǎo)航和通信提出了更高的要求。在資源稀缺的深空環(huán)境下，為應(yīng)對深空探測對導(dǎo)航和通信持續(xù)增長的需求，導(dǎo)航通信一體化成為一種趨勢。X射線脈沖星導(dǎo)航(X-rayPulsar-based NAVigation，XPNAV)和X射線通信(X-ray Communication，XCOM)是新興的深空導(dǎo)航和通信方法

2、，兩種技術(shù)均顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿ΑCOM和XPNAV在信號、探測設(shè)備及功能等多個方面存在著相似性和緊密聯(lián)系，為兩種技術(shù)的融合提供了可能，即X射線導(dǎo)航通信一體化。X射線導(dǎo)航通信一體化以XCOM和XPNAV為基礎(chǔ)，通過兩種技術(shù)及其相關(guān)衍生技術(shù)的融合、互補和增強，在資源和技術(shù)稀缺的深空條件下為深空探測提供高性能的導(dǎo)航和通信服務(wù)。X射線導(dǎo)航通信一體化是導(dǎo)航通信一體化的重要組成部分和發(fā)展方向，它為應(yīng)對快速增長的深空導(dǎo)航和通信需求提供了一種潛在的

3、解決方案。本文以X射線導(dǎo)航通信一體化的關(guān)鍵技術(shù)為出發(fā)點，圍繞XCOM和XPNAV的相關(guān)衍生技術(shù)及技術(shù)間的功能聯(lián)系和互補展開研究和論述，主要內(nèi)容包括:
　　1.距離是深空導(dǎo)航的基本要素之一，精確的距離信息能夠作為輔助觀測量用于提高XPNAV的性能。為此，提出了基于XCOM的X射線圓偏振測距方法。所提方法以XCOM的原理為基礎(chǔ)，采用圓偏振調(diào)制方法對X射線信號進(jìn)行調(diào)制，利用圓偏振狀態(tài)傳輸測距信息實現(xiàn)深空遠(yuǎn)距離測距。論文首先利用Strok

4、es矢量表示圓偏振狀態(tài)對測距信號進(jìn)行建模，并基于建立的信號模型對所提X射線距方法的信號處理流程進(jìn)行了詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上，理論和仿真分析了多普勒效應(yīng)、信號差分檢測誤差及信號相關(guān)誤差等因素對所提測距方法性能的影響，仿真實驗結(jié)果表明所提方法能夠獲得高精度的距離測量結(jié)果。
　　2.深空探測任務(wù)遠(yuǎn)離地球，且其所處空間環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致深空鏈路的可用性較低。為在鏈路可用性有限的條件下提高其利用效率，提出了基于XCOM的X射線通信測距一體化方

5、法。所提方法以XCOM的通信功能為基礎(chǔ)，結(jié)合X射線測距技術(shù)，在同一鏈路中同時實現(xiàn)基于X射線的遠(yuǎn)距離通信和測距功能。該方法不僅提高了鏈路效率，更重要的是其體現(xiàn)的技術(shù)融合的思想為X射線導(dǎo)航通信一體化的實現(xiàn)提供了參考。論文設(shè)計了X射線通信測距一體化方法的信號結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析了其信號處理流程。此外，還提出了評估X射線通信測距一體化性能的相關(guān)參數(shù)，包括數(shù)據(jù)傳輸速率、通信誤碼率、測距誤差及抖動等，并進(jìn)行了理論和仿真分析。仿真實驗結(jié)果驗證了所提方法的

6、可行性，另外，仿真結(jié)果還表明，所提方法的性能，如信號捕獲性能、誤碼率、測距抖動等，主要受一體化信號的信噪比影響。
　　3.XPNAV是利用脈沖星輻射的周期性脈沖信號實現(xiàn)自主導(dǎo)航的新型天文導(dǎo)航方法，是X射線導(dǎo)航通信一體化的重要組成部分。目前，受多種因素影響，XPNAV的定位精度難以進(jìn)一步提高，限制了其后續(xù)的發(fā)展和應(yīng)用。為此，提出了利用XCOM輔助增強XPNAV的方法，該方法利用XCOM的衍生技術(shù)——X射線測距提供的高精度距離測量信息

7、作為XPNAV的輔助觀測量，結(jié)合XPNAV的脈沖星計時觀測，實現(xiàn)對航天器位置和速度的估計。論文構(gòu)造了脈沖星計時觀測和X射線測距的觀測模型，結(jié)合航天器軌道動力學(xué)模型，利用Kalman濾波實現(xiàn)對航天器狀態(tài)的估計。在此基礎(chǔ)上，利用仿真實驗對脈沖星觀測時間、測距信號信噪比及航天器運動軌道等多種因素對所提增強算法性能的影響進(jìn)行了分析。仿真實驗結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的XPNAV方法，基于XCOM的XPNAV增強算法能夠有效提高XPNAV的定位精度。<

8、br>　　4.時間是深空探測中的基礎(chǔ)性參數(shù)，是深空導(dǎo)航和通信的生命線。為了為X射線導(dǎo)航通信一體化提供精確的時間服務(wù)，提出了利用脈沖星計時觀測實現(xiàn)深空自主守時的方法，該方法的原理來源于XPNAV，通過對脈沖星輻射信號的計時觀測修正時鐘誤差，實現(xiàn)自主守時。論文首先采用有色噪聲模型對脈沖星計時觀測的計時噪聲進(jìn)行建模，構(gòu)造了計時觀測模型?；谟嫊r觀測模型和時鐘演化模型，采用Kalman濾波方法估計時鐘狀態(tài)。最后，利用仿真實驗分析了所提守時方法的