一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法技术方案

本发明专利技术属于空间飞行器脉冲星自主导航技术领域，提供一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法，其以分布式布局的卫星系统为载体，包括高精度时间同步计时系统，脉冲星探测载荷单元，星光矢量敏感载荷单元，地球敏感载荷单元，星间链路载荷单元。本发明专利技术还提出脉冲观测轮廓和星光角距新的融合方法，该方法是一种脉冲星和星光角距的深度融合方法，能够有效利用具有星间链路的各种类型的卫星，搭载具有本发明专利技术需要功能的载荷，实现脉冲相位估计。本发明专利技术通过引入同一时刻的多个星光角距测量值，能够实现轮廓幅值按bin滤波，实现高精度脉冲相位融合估计。相位融合估计。相位融合估计。

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法


[0001]本专利技术属于空间飞行器脉冲星自主导航
，具体涉及一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统及方法。

技术介绍

[0002]脉冲星自主导航技术是卫星实现自主导航的新手段。在卫星利用脉冲星实现自主导航的过程中，对脉冲在参考点的相位进行估计是关系导航精度的关键技术。目前，脉冲星导航主要针对独立卫星开展研究，进行导航和脉冲相位估计也是基于独立卫星上搭载的脉冲星探测器及其数据处理软硬件系统。对于脉冲相位的估计方法主要有：最小二乘法、最小方差法、最大相关法、最大似然法、频域相关法以及相关的改进方法等。
[0003]近年来，为了提高脉冲星自主导航的精度，国内外技术人员开展了大量组合导航研究，将脉冲星导航与其他导航方式相融合，得到更高的导航精度。例如，采用脉冲星与星光角距组合导航方式，将脉冲相位观测量与星光角距观测量进行融合计算得到卫星位置。其方法特点是需要卫星分别获得脉冲相位与星光角距，然后进行融合计算。也就是说，脉冲相位的提取与星光角距无关，二者是独立的。星光角距不对脉冲相位估计精度提升有贡献，其主要作用在于星光角距与脉冲相位共同构成位置观测方程，与卫星运动学状态方程进行融合，实现对定位精度的提升。该方法本质上是在融合定位的层面上实现导航定位的松耦合组合导航。
[0004]基于星间链路的分布式脉冲星导航也是近年来的研究热点。星间链路为分布式卫星系统的通信、测距和时钟同步提供了手段。分布式脉冲星自主导航利用不同的卫星分别对不同脉冲星进行观测，获得脉冲相位观测量，基于星间链路测量数据，在数据处理单元中对不同的脉冲星相位观测量进行统一处理，从而实现导航定位。如何实现基于星间链路的分布式脉冲星导航目前尚未有行之有效的方法。

技术实现思路

[0005]针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其具体技术方案如下：
[0006]一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其以分布式布局的卫星系统为载体，所述卫星系统以星间链路互联，包括分布式布置的若干卫星，各卫星上搭载以下单元：
[0007]高精度时间同步计时系统，用于为整个系统提供统一的时间基准和高精度计时；
[0008]脉冲星探测载荷单元，用于对脉冲星的探测，获取脉冲星到达卫星的光子到达时间序列信息；该光子序列以脉冲星周期进行轮廓折叠，生成观测脉冲轮廓；
[0009]星光矢量敏感载荷单元，用于对恒星矢量的观测；
[0010]地球敏感载荷单元，用于对地心矢量的提取；
[0011]星间链路载荷单元，用于实现卫星之间的通信和测距。基于其测量信息，实现卫星对脉冲星测量和星光角距的数据融合，所述星光角距由星光矢量和地心矢量构建。
[0012]优选的方案中，所述脉冲星探测载荷单元搭载于分布式布置于各卫星上，或搭载于至少一个实现脉冲相位估计的卫星上。
[0013]一种脉冲星自主导航脉冲相位估计方法，其包括如下的步骤：
[0014]A1：以S1，S2,Si
……
SN代表各卫星，脉冲星探测载荷单元、星光矢量敏感载荷单元、地球敏感载荷单元对恒星观测矢量为s
i
,i＝1,2,...，对地心观测矢量为e
j
,j＝1,2...，各卫星通过对恒星和地球观测合成的星光角距为
[0015]A2：在某时刻t0：利用脉冲星探测器接收到的脉冲星光子到达时间序列，按照脉冲星周期Ps以柱状图的形式将光子到达时间序列折叠到第一个脉冲周期中，获得观测轮廓p(t)；
[0016]A3：进行高精度脉冲相位估计。
[0017]进一步，步骤A2的具过程包括：
[0018]B1：以t0为起始点，将到达时间大于一个Ps的脉冲星光子序列对Ps取余数，该余数对应地插入到t0到t0+Ps的时间段中，从而获得分布于t0到t0+Ps时间段的光子点；
[0019]B2：以bin为宽度，画柱状统计图，纵坐标为落在该bin内的光子的个数；
[0020]B3：柱状统计图的幅值序列即为轮廓在bin上的观测值p(k)，其连续化的形式为p(t)；
[0021]B4：将bin视为滤波步长k，每个bin对应的轮廓值p(k)作为该bin上的脉冲轮廓观测值；
[0022]B5：利用星光矢量敏感载荷和地球敏感载荷探测合成星光角距星光测量的方向尽可能多样，星光角距的数量尽可能多；对每一个bin，将星光角距观测值随机地与该bin上的脉冲轮廓观测值进行匹配，构成二维观测组合
[0023]B6：结合标准轮廓信息，构建卡尔曼滤波器，进行滤波计算，收敛后得到该时刻的脉冲相位值，具体为：
[0024]脉冲星标准轮廓s
p
(t)和相位函数可以通过地面和在轨长时间的观测获得，是脉冲星导航的基础；卫星在进行在轨脉冲星自主导航时，通过利用星上探测器探测脉冲星光子到达时间信息，大尺度时空转换到SSB处并折叠成轮廓，进而与标准轮廓作比较获得相位信息，观测轮廓可以建模为：
[0025]p(t)＝as
p
(t
‑
τ
p
)+b+v
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0026]其中，a代表折叠轮廓的幅值系数，可通过对折叠轮廓进行归一化折算为1，b体现为观测轮廓由于轮廓折叠中噪声影响引起的整体上移，视为常值，τ
p
为脉冲时延可转化为脉冲相位Φ(即为待估计的参数)，v
p
为探测器及背景等效高斯白噪声；
[0027]卫星通过星光矢量敏感载荷观测恒星得到星光观测矢量，通过地球敏感载荷敏感地平并计算获得地心矢量，可以构建对恒星和地心的星光角距观测量；由几何关系可知，恒星
‑
地心星光角距为位置的函数，可建立观测方程为：
[0028][0029]其中，为分布式卫星系统中第i个恒星
‑
地心星光角距；s
i
为所观测的某已知恒星i的单位星光矢量，r
sat
为太阳系质心坐标系(SSB系)下卫星位置矢量，符号表示大尺度时空转换，表示SSB系下对r
sat
的估值，表示位置估计误差，Φ＝[Φ
1 Φ
2 Φ3]T
为三颗脉冲星矢量方向上的待估计相位，P
s
＝[P
s1 P
s2 P
s3
]T
为三颗脉冲星周期，n＝[n
1 n
2 n3]T
为三颗脉冲星单位矢量，为第i个星光角距对应的卫星与实现融合相位估计的卫星之间的星间相位差，c为光速，L
is
为该卫星与卫星S1的星间距离在被观测脉冲星方向上的距离投影，f
s
为脉冲星发射的脉冲频率，v
θ
为测量噪声；
[0030]对于进行三个方向脉冲星观测的卫星，令代表三个脉冲星标准轮廓，J＝[J
1 J...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其特征在于，其以分布式布局的卫星系统为载体，所述卫星系统以星间链路互联，包括分布式布置的若干卫星，各卫星上搭载以下单元：高精度时间同步计时系统，用于为整个系统提供统一的时间基准和高精度计时；脉冲星探测载荷单元，用于对脉冲星的探测，获取脉冲星到达卫星的光子到达时间序列信息；该光子序列以脉冲星周期进行轮廓折叠，生成观测脉冲轮廓；星光矢量敏感载荷单元，用于对恒星矢量的观测；地球敏感载荷单元，用于对地心矢量的提取；星间链路载荷单元，用于实现卫星之间的通信和测距；基于其测量信息，实现卫星对脉冲星测量和星光角距的数据融合，所述星光角距由星光矢量和地心矢量构建。2.根据权利要求1所述的一种脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其特征在于：所述脉冲星探测载荷单元搭载于分布式布置的各卫星上，或搭载于至少一个实现脉冲相位估计的卫星上。3.一种脉冲星自主导航脉冲相位估计方法，其采用如权利要求1或2所述的脉冲星自主导航脉冲相位估计系统，其特征在于：其包括如下的步骤：A1：以S1，S2,Si
……
SN代表各卫星，脉冲星探测载荷单元、星光矢量敏感载荷单元、地球敏感载荷单元对恒星观测矢量为s
i
,i＝1,2,...，对地心观测矢量为e
j
,j＝1,2...，各卫星通过对恒星和地球观测合成的星光角距为θ
i
,i＝1,2,...；A2：在某时刻t0：利用脉冲星探测器接收到的脉冲星光子到达时间序列，按照脉冲星周期Ps以柱状图的形式将光子到达时间序列折叠到第一个脉冲周期中，获得观测轮廓p(t)；A3：进行高精度脉冲相位估计。4.根据权利要求3所述的一种脉冲星自主导航脉冲相位估计方法，其特征在于：步骤A2的具过程包括：B1：以t0为起始点，将到达时间大于一个Ps的脉冲星光子序列对Ps取余数，该余数对应地插入到t0到t0+Ps的时间段中，从而获得分布于t0到t0+Ps时间段的光子点；B2：以bin为宽度，画柱状统计图，纵坐标为落在该bin内的光子的个数；B3：柱状统计图的幅值序列即为轮廓在bin上的观测值p(k)，其连续化的形式为p(t)；B4：将bin视为滤波步长k，每个bin对应的轮廓值p(k)作为该bin上的脉冲轮廓观测值；B5：利用星光矢量敏感载荷和地球敏感载荷探测合成星光角距θ
i
,i＝1,2,...，星光测量的方向尽可能多样，星光角距的数量尽可能多；对每一个bin，将星光角距观测值随机地与该bin上的脉冲轮廓观测值进行匹配，构成二维观测组合(p(k),θ
k
)；B6：结合标准轮廓信息，构建卡尔曼滤波器，进行滤波计算，收敛后得到该时刻的脉冲相位值，具体为：脉冲星标准轮廓s
p
(t)和相位函数可以通过地面和在轨长时间的观测获得，是脉冲星导航的基础；卫星在进行在轨脉冲星自主导航时，通过利用星上探测器探测脉冲星光子到达时间信息，大尺度时空转换到SSB处并折叠成轮廓，进而与标准轮廓作比较获得相位信息，观测轮廓可以建模为：p(t)＝as
p
(t
‑
τ
p
)+b+v
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，a代表折叠轮廓的幅值系数，可通过对折叠轮廓进行归一化折算为1，b体现为观
测轮廓由于轮廓折叠中噪声影响引起的整体上移，视为常值，τ
p
为脉冲时延可转化为脉冲相位Φ(即为待估计的参数)，v
p
为探测器及背景等效高斯白噪声；卫星通过星光矢量敏感载荷观测恒星得到星光观测矢量，通过地球敏感载荷敏感地平并计算获得地心矢量，可以构建对恒星和地心的星光角距观测量；由几何关系可...

【专利技术属性】
技术研发人员：李璟璟，王文丛，徐源，刘金胜，宋娟，徐延庭，王博，
申请(专利权)人：山东航天电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：