【摘要】：X射線脈沖星導航是一種新興的導航方式,它利用脈沖星輻射出的X射線作為信號源進行導航,不依賴于地面測控設(shè)備或天基導航衛(wèi)星,尤其適用于深空探測任務中的導航。本文以X射線脈沖星導航為背景,考慮信號噪聲、星歷表誤差、觀測量異常等因素對導航精度的影響,對脈沖星選星、信號預處理、導航算法等內(nèi)容展開研究,主要內(nèi)容如下:研究X射線脈沖星導航優(yōu)化選星方法。根據(jù)脈沖星導航的特點,采用EPN數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)獲取來源。并對EPN數(shù)據(jù)庫中收集的1000多顆脈沖星數(shù)據(jù)進行分析,優(yōu)選導航用脈沖星�？紤]天體遮擋和太陽強輻射等因素對脈沖星可見性的影響,建立選星約束條件,對標準導航數(shù)據(jù)庫中的X射線脈沖星進行初選。在此基礎(chǔ)上,針對導航用X射線脈沖星展開優(yōu)選,提出脈沖星觀測模型精度因子,減小導航定位誤差。研究X射線脈沖星導航系統(tǒng)觀測信號降噪與識別方法。針對觀測信號中噪聲較大,影響觀測量準確計算的問題,提出一種基于經(jīng)驗模態(tài)分解的信號降噪算法。通過相關(guān)性分析設(shè)計基于局部噪聲估計方法,并將所估計噪聲方差用于自適應閾值的設(shè)計,最后將該自適應閾值用于所提基于經(jīng)驗模態(tài)分解的脈沖星信號降噪方法中,提高X射線脈沖星觀測信號的信噪比;在信號識別方面,根據(jù)X射線脈沖星信號在時域上光子輻射強度的特性,設(shè)計基于信號瞬時幅值最小距離的信號識別算法,提高X射線脈沖星觀測信號識別速度。研究X射線脈沖星導航系統(tǒng)星歷表誤差校正方法。通過對星歷表誤差引起的導航系統(tǒng)觀測偏差進行分析,建立帶有星歷表誤差的觀測模型,提出一種基于矩陣不等式的魯棒卡爾曼濾波導航方法。在濾波計算的過程中,星歷表誤差項是未知的,利用根據(jù)量測殘差協(xié)方差和矩陣不等式進行處理,確定誤差協(xié)方差的下界,并修正濾波算法反饋增益得到最終的狀態(tài)估計值�？梢匀〉玫捷^高的定位精度,有效的減小星歷表誤差對脈沖星導航系統(tǒng)的影響。研究X射線脈沖星導航系統(tǒng)觀測量異常校正方法。考慮到觀測量異常時,無跡卡爾曼濾波器算法的觀測殘差會發(fā)生劇烈變化,設(shè)計基于觀測殘差統(tǒng)計信息的異常檢測函數(shù),提出一種自適應無跡卡爾曼濾波算法。由于實際觀測量和導航系統(tǒng)量測模型存在誤差,當觀測量受環(huán)境影響發(fā)生突變時,UKF濾波算法的量測殘差會發(fā)生劇烈變化。因此,利用量測殘差設(shè)計異常檢測函數(shù),對導航系統(tǒng)觀測量進行判斷。并在UKF濾波算法中加入自適應調(diào)節(jié)矩陣,建立理論上的量測殘差協(xié)方差與實際值的等式關(guān)系,求出調(diào)節(jié)矩陣并修正濾波算法增益,得到準確的狀態(tài)估計值,減小觀測量異常對脈沖星導航系統(tǒng)的影響。
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文終確定航天器的位置、速度和姿態(tài)等導航信息[11-12]。天文導航系信號，具有隱蔽性高、完全自主的優(yōu)點，但天文導航系統(tǒng)在進中，觀測精度會受到可視條件的影響。X 射線脈沖星導航是一星發(fā)出的 X 射線信號作為導航觀測量的導航技術(shù)。作為一種新能夠提供位置、速度、姿態(tài)和時間等導航信息，滿足近地空間及星際間各種飛行任務的需求。由于該導航技術(shù)的這種優(yōu)勢，航天器自主導航領(lǐng)域的研究熱點[13-15]。星是一種大質(zhì)量天體經(jīng)過演化、坍縮后等極端物理條件下形成分布在太陽系以外，距離地球十分遙遠[16-17]。它具有非常極短轉(zhuǎn)軸與磁極軸不重合并形成一定的夾角，如圖 1-1 所示。脈沖星常強烈的電磁波，當輻射電磁波掃過地面或航天器等載體上的夠在視線方向上接收到一個電磁波輻射脈沖信號。

脈沖星導航技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析的發(fā)現(xiàn)被稱為 20 世紀 60 年代天文學四大發(fā)現(xiàn)之一[23]。1生 Bell 和導師 Hewish 在對類星體的射電閃爍現(xiàn)象進行觀現(xiàn)象，后經(jīng)過研究分析，被認定為是一種未知天體，由于電磁脈沖信號，科學家將其命名為脈沖星[24]。脈沖星具能夠以非常穩(wěn)定的脈沖頻率發(fā)射信號，脈沖星的這種特性航方面具有非常廣闊的應用前景，，引起了各國科研機構(gòu)和一課題，紛紛制定研究計劃并初步建立了脈沖星導航的理線脈沖星觀測技術(shù)現(xiàn)狀脈沖星觀測主要分為地面射電望遠鏡觀測和星載 X 射線面射電望遠鏡觀測方面，美國國家射電天文臺于 1980 西哥州圣阿古斯丁平原上。該設(shè)備由 27 臺口徑 25 米的，可以根據(jù)任務排列成不同的形狀[25]。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TN967.1

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本文編號：2666725