基于X射線脈沖星的定時與自主定位理論研究.pdf

1、脈沖星是一類具有超核密度、強引力場、強電磁場的快速自轉(zhuǎn)的中子星,被廣泛用于天體演化、引力波探測等前沿課題的研究。其最重要的觀測特征是在射電、紅外、可見光、紫外、χ射線和γ射線頻段具有極其穩(wěn)定的周期性脈沖輻射,輻射信號的長期穩(wěn)定度可與原子鐘相當(dāng),用于精確定時和導(dǎo)航的潛力巨大。相比于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和地基探測網(wǎng)的昂貴維護成本,有限作用區(qū)域,脆弱抗擊毀能力,脈沖星可為近地空間、深空領(lǐng)域的人造衛(wèi)星、飛船、探測器等提供時間、姿態(tài)、位置和速度信息,有望

2、實現(xiàn)自主、安全、高精度、高性價比的三維導(dǎo)航服務(wù),這不僅具有重大軍事意義,也適合人類深空探測的導(dǎo)航需求。相對于射電脈沖星,以X射線脈沖星作為導(dǎo)航源有助于探測器的小型化和信號檢測。因此,近幾年來,基于X射線脈沖星的導(dǎo)航技術(shù)引起了各國的極大關(guān)注。然而,該新型技術(shù)目前仍處于理論探索和可行性驗證階段,系統(tǒng)的真正實現(xiàn)尚面臨眾多挑戰(zhàn),尤其在國內(nèi),實質(zhì)性的研究工作才剛剛起步?；诖?本論文從利用X射線脈沖星信號實現(xiàn)航天器定位功能的過程和系統(tǒng)框架著眼,涉

3、及以下緊密聯(lián)系、不可分割的幾個方面：X射線探測器選擇以及X射線光子探測、到達時間(TOA)測量、星源信息庫建立、空間光行時方程求解、導(dǎo)航算法實現(xiàn)等,對其中的一些關(guān)鍵技術(shù)進行了理論分析和仿真,對所需的數(shù)學(xué)原理進行了必要的探索和推導(dǎo)。由于高精度的脈沖到達時刻信息是脈沖星導(dǎo)航的基礎(chǔ),因此,本文重點研究信號的TOA估計與其定時性能分析,以及可行的定位算法。論文的研究工作主要包含以下幾方面：1、從深空探測需求、衛(wèi)星導(dǎo)航的局限性、天文導(dǎo)航的優(yōu)勢出發(fā)

4、,討論了研究脈沖導(dǎo)航技術(shù)的必要性,分析了脈沖星導(dǎo)航的特點和優(yōu)勢,特別展望了脈沖星導(dǎo)航在行星際自主編隊航天器設(shè)計中的應(yīng)用前景,總結(jié)了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,簡述了該技術(shù)目前面臨的若干難題。2、比較了多種x射線探測器的性能,并參考了各國X射線觀測衛(wèi)星上使用的探測設(shè)備,提出以硅微條探測器和量熱器作為探測器原型用于X射線脈沖星導(dǎo)航的觀點,并據(jù)此設(shè)想了一個包含有編碼盤、準(zhǔn)直器等輔助設(shè)備的綜合探測器系統(tǒng),探討了在空間核輻射環(huán)境下,探測器微電子器件的防護問題

5、。該部分工作對探測器的選擇和復(fù)合探測器的設(shè)計具有一定的參考價值。3、從X射線脈沖星導(dǎo)航的需求和特殊性出發(fā),提出了應(yīng)納入星載數(shù)據(jù)庫框架的脈沖星特征參數(shù),包括位置、距離、流量、周期、有效脈沖比、脈沖輪廓等,并對上百顆X射線脈沖星的流量、周期變化率等特征進行統(tǒng)計分析,探討了毫秒級X射線脈沖星在導(dǎo)航中的優(yōu)勢,依據(jù)周期變化率參數(shù)推薦了性能較好的15顆X射線脈沖星,為數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建打下了一定基礎(chǔ)。4、提出了基于非齊次泊松模型的X射線脈沖TOA的最大似

6、然估計,給出了其低信噪比下的近似表達,并利用B1921-24和Crab兩顆脈沖星,分別在不同觀測時間和不同信噪比的條件下進行了仿真,驗證了該方法的可行性和有效性。另外,系統(tǒng)探討了基于脈沖輪廓特征的TOA精度分析,并利用擬合的具有解析形式的高斯脈沖、雙高斯脈沖、指數(shù)型脈沖等進行了對比研究。理論分析和仿真結(jié)果表明,在相同的流量和占空比假設(shè)下,不同的形狀特征得到的TOA估計性能不同。為了精確化距離估計誤差,作者認(rèn)為為每顆脈沖星建立解析的輪廓模

7、板有一定意義。5、基于二階循環(huán)平穩(wěn)過程,提出了一種稱為最大相關(guān)方差搜索法的射電脈沖星周期估計方法,若不考慮探測器的光子接收過程,該方法完全可推廣到X射線脈沖星的周期估計。分析和仿真表明,新方法運算速度快,對數(shù)據(jù)量要求不高,效果明顯,對于微弱脈沖星信號的實時周期估計具有參考價值。同時,提出了一種標(biāo)準(zhǔn)輪廓生成的新方法,不需要事先設(shè)計模板脈沖,在低信噪比以及累積脈沖個數(shù)較少的情況下,可以得到高品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖輪廓。6、深入討論了脈沖星信號的時間

8、測量步驟,推導(dǎo)了觀測時間向太陽系質(zhì)心傳遞的高階廣義相對論修正模型,修正項包含Roemer延遲、Shapiro延遲效應(yīng)等。在特定空間點,數(shù)值分析了簡化模型中各項時延的貢獻。7、發(fā)展了一種基于定時模型的位置誤差修正迭代法,給出了線性化形式,并對誤差源進行了討論。另外,改進了絕對定位中的一種模糊度解析方法,假設(shè)已知航天器的粗略位置信息和足夠穩(wěn)定的星鐘時間,通過4顆并逐步加入更多的大周期脈沖星求解相位觀測方程,利用定時或定位精度作為閾值,可由最