融合脉冲星辐射矢量和计时观测的卫星自主导航系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种融合脉冲星辐射方向矢量和计时观测的航天器自主导航定位系统及方法。系统利用时辨探测器配合准直器获取脉冲到达时间和精确获取脉冲星辐射方向矢量，并利用红外或紫外地平敏感器获取地心方向矢量；利用脉冲星脉冲到达时间、辐射方向矢量和地心方向矢量，导航计算机分别完成地心坐标系下脉冲星计时观测导航算法、基于角距测量的脉冲星定位算法和基于角距测量的几何定向算法，并通过几种算法的融合实时获取航天器位置、速度、姿态以及在轨运动方向，完成轨道卫星自主导航，输出高精度的位置、姿态和速度信息。本发明专利技术适用于地球或其它行星的轨道卫星或星座的自主运控。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种融合脉冲星辐射方向矢量和计时观测的航天器自主导航定位系统及方法。系统利用时辨探测器配合准直器获取脉冲到达时间和精确获取脉冲星辐射方向矢量，并利用红外或紫外地平敏感器获取地心方向矢量；利用脉冲星脉冲到达时间、辐射方向矢量和地心方向矢量，导航计算机分别完成地心坐标系下脉冲星计时观测导航算法、基于角距测量的脉冲星定位算法和基于角距测量的几何定向算法，并通过几种算法的融合实时获取航天器位置、速度、姿态以及在轨运动方向，完成轨道卫星自主导航，输出高精度的位置、姿态和速度信息。本专利技术适用于地球或其它行星的轨道卫星或星座的自主运控。【专利说明】
本专利技术属于导航
，特别涉及融合X射线脉冲星辐射矢量和计时观测的卫星自主导航方法，用于为地球或其它近天体的轨道卫星，星际航行航天器，或者无稠密大气星体表面巡游车提供高精度自主导航定位服务。
技术介绍
基于X射线脉冲星的导航定位是一种利用X射线脉冲星辐射脉冲到达时间测量作为信息输入的天文导航方法，能为近地、深空及星际空间航天器提供位置、速度、时间、姿态等丰富的导航信息。它通过测量同一脉冲到达航天器和到达SSB的时间差来计算航天器在该脉冲星方向相对于SSB的位移，再结合多颗脉冲星方向上的位移即可确定航天器在SSB坐标系下航天器位置。其中，时间差测量通常使用星载探测器接收X射线光子，在星载钟支持下经过周期累积得到累积脉冲轮廓，再与标准脉冲轮廓比对相位得到。基于脉冲星的导航技术最早由美国喷气推进实验室的德恩斯博士于1974年提出；1981年，美国通信系统研究所的切斯特和巴特曼提出利用脉冲星X射线源为航天器导航的构想；1999年，搭载USA试验设备的美国空军”先进研究与全球观测卫星”被发射进入预定轨道，USA开展空间科学试验研究中包括了一项有关X射线导航的主题研究；2004年8月，美国航空航天局和海军天文台等多家单位着手拟定和启动脉冲星导航的研究计划，同时X射线脉冲星导航已纳入国防部长期发展战略规划纲要，并逐年增加项目研究经费，持续开展脉冲星导航的理论方法研究、关键技术攻关和原理样机研制等方面的研究工作。我国在空间科学十一五规划中也包括了发射用于实现l_250keV宽频段X射线成像巡天的天文卫星HXMT，其中的分系统-低能X射线，其频段为1.0-15keV,该X射线望远镜用于探索脉冲星导航。脉冲星导航有能力具有多种优越的导航特性包括:(I)自主导航能力增强(2)从近地轨道、深空至星际空间飞行的持续导航能力(3)提供良好的外部时间频率基准(4)航天器编队飞行星座导航或星间跟踪(5)有利于减少维护成本和提高抗干扰能力。但是，脉冲星信号极其微弱，在目前的技术和认知水平下，很难达到理想的导航定位精度，特别是对于轨道卫星定轨应用，与传统的基于地基测控的定轨方法相比，除了在自主导航和抗干扰能力上具有明显优势外，其定轨精度还有较大差距。如果在实现脉冲星自主导航的同时，能进一步提高其定位精度，不仅可以拓展脉冲星应用空间，还十分有利于挖掘更多潜在的应用。而从目前脉冲星导航的原理来看，其仅仅利用脉冲星辐射脉冲稳定的计时特性测量信号光经过航天器到达太阳系质心的时间，再通过换算得到距离。基于这一原理，导航精度受诸多因素的限制，如相对论修正精度、脉冲星计时模型精度、位相测量精度等等。传统增强脉冲星导航精度可以通过优化信息获取，如精化相位预测模型、改进信号的时间测量等，但这类方法只能使定位精度接近其无偏估计的下界，并不增加可用信息量，因而也不能从本质上提升脉冲星导航的性能。因此如何在有限的观测技术水平下有效增强导航性能对X射线脉冲星导航理论研究和工程应用都具有十分重要的意义。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的主要目的在于:针对传统X射线脉冲星导航方法中，仅仅利用脉冲星辐射脉冲的计时观测作为导航信息输入，造成脉冲星导航能力利用不足、轨道卫星定位精度需要进一步提高的问题，提供一种融合脉冲星辐射矢量和计时观测的卫星自主导航方法，以达到充分利用脉冲星导航能力，提高脉冲星导航精度，实现轨道卫星自主高精度轨道确定、时间同步和姿态测量。本专利技术的另一个目的还在于能够为编队卫星或者卫星星座提供定向手段，以辅助解决星座整体旋转和地球自传误差积累。为实现上述目的，本专利技术的实现方法和技术解决方案为:融合脉冲星辐射方向矢量和计时观测的航天器自主导航定位方法，其特点在于包括X射线探测器、准直器、X射线脉冲星定时模型和参数数据库、太阳系行星参数库，星载原子钟、星载计算机，红外(或紫外)地平敏感、导航算法库、星载万向支架等；星载计算机根据当前记录的航天器姿态和X射线脉冲星参数数据库，控制星载万向架支撑星载X射线探测器指向目标脉冲星；x射线探测器配合准直器，通过测量到达探测器的X射线脉冲星的光子流量强度计算脉冲星指向与脉冲星辐射矢量的偏差，该偏差反馈到星载计算机用于增强姿态控制，精确获取脉冲星辐射方向矢量；在探测器准确指向目标脉冲星的同时，X射线探测器记录X射线光子到达时间，在星载脉冲星参数库和太阳系行星参数库支持下将光子到达时间改正转换到太阳系质心；转换后的光子按照周期统计其在采样时间分辨单位内的重复频率直方图，进而形成累积轮廓；该累积轮廓与脉冲星标准平均轮廓比相，获取累计轮廓位相，该位相再与星载原子钟保持的脉冲星相位演化模型做差，所得相差转换成距离差，送至导航计算机中的基于地心坐标系的脉冲星计时观测导航算法；同时地平敏感仪敏感地平得到地平角距，并计算地心方向矢量，该角距与上述脉冲星辐射方向矢量共同送至星载计算机中基于角距测量的脉冲星定位算法，同时该地心方向矢量与上述脉冲星辐射方向矢量共同送至基于角距测量的几何定向算法；星载计算机调用自主导航算法库中的融合导航滤波算法对基于脉冲星计时观测的导航算法、基于角距测量的脉冲星定位算法和基于角距测量的几何定向算法融合，输出高精度的自主导航参数信息，包括位置、姿态和速度信息。所述的X射线探测器为时间分辨探测器，所述的准直器安装于探测器前方，准直器由一系列平行的空心柱体紧密排列，只允许与柱体平行的光线通过，到达探测器，依次达到背景噪声滤波、辐射矢量识别的目的。所述的重复频率直方图的生成方法为:假设为一段X射线脉冲星观测信号，它由N个采样构成，采样间隔为δ t，起始时刻为h，周期为ΤΡ，Νδ t = mTP，m为观测信号中的周期数，ZiQ = I,..., N)表示每个采样间隔内光子计数,写成向量形式为z = τ，令【权利要求】1.融合脉冲星辐射方向矢量和计时观测的航天器自主导航定位方法，其特征在于包括X射线探测器、准直器、X射线脉冲星定时模型和参数数据库、太阳系行星参数库，星载原子钟、星载计算机，红外(或紫外)地平敏感、导航算法库、星载万向支架等；星载计算机根据当前记录的航天器姿态和X射线脉冲星参数数据库，控制星载万向架支撑星载X射线探测器指向目标脉冲星；x射线探测器配合准直器，通过测量到达探测器的X射线脉冲星的光子流量强度计算脉冲星指向与脉冲星辐射矢量的偏差，该偏差反馈到星载计算机用于增强姿态控制，精确获取脉冲星辐射方向矢量；在探测器准确指向目标脉冲星的同时，X射线探测器记录X射线光子到达时间，在星载脉冲星参数库和太阳系行星参数库支持下将光子本文档来自技高网...

【技术保护点】
融合脉冲星辐射方向矢量和计时观测的航天器自主导航定位方法，其特征在于包括X射线探测器、准直器、X射线脉冲星定时模型和参数数据库、太阳系行星参数库，星载原子钟、星载计算机，红外(或紫外)地平敏感、导航算法库、星载万向支架等；星载计算机根据当前记录的航天器姿态和X射线脉冲星参数数据库，控制星载万向架支撑星载X射线探测器指向目标脉冲星；X射线探测器配合准直器，通过测量到达探测器的X射线脉冲星的光子流量强度计算脉冲星指向与脉冲星辐射矢量的偏差，该偏差反馈到星载计算机用于增强姿态控制，精确获取脉冲星辐射方向矢量；在探测器准确指向目标脉冲星的同时，X射线探测器记录X射线光子到达时间，在星载脉冲星参数库和太阳系行星参数库支持下将光子到达时间改正转换到太阳系质心；转换后的光子按照周期统计其在采样时间分辨单位内的重复频率直方图，进而形成累积轮廓；该累积轮廓与脉冲星标准平均轮廓比相，获取累计轮廓位相，该位相再与星载原子钟保持的脉冲星相位演化模型做差，所得相差转换成距离差，送至导航计算机中的基于地心坐标系的脉冲星计时观测导航算法；同时地平敏感仪敏感地平得到地平角距，并计算地心方向矢量，该角距与上述脉冲星辐射方向矢量共同送至星载计算机中基于角距测量的脉冲星定位算法，同时该地心方向矢量与上述脉冲星辐射方向矢量共同送至基于角距测量的几何定向算法；星载计算机调用自主导航算法库中的融合导航滤波算法对基于脉冲星计时观测的导航算法、基于角距测量的脉冲星定位算法和基于角距测量的几何定向算法融合，输出高精度的自主导航参数信息，包括位置、姿态和速度信息。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张华，许录平，李沃恒，田茜，谢强，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61