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基于X射线脉冲星的卫星自主天文导航算法仿真研究

作　者: 郑广楼
导　师: 刘建业
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 检测技术与自动化装置
关键词: X射线脉冲星 卫星 自主导航 相位差分 整周模糊度 可观测性分析 扩展卡尔曼滤波
分类号: V448.23
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


X射线脉冲星导航是一种新型的航天器自主天文导航方法,能够为近地轨道、深空探测和行星际飞行的航天器提供位置、速度、姿态和时间等丰富的导航信息,是目前卫星自主导航领域研究的热点。本文主要开展了基于X射线脉冲星的卫星自主导航算法的研究,以实现对卫星的精确自主导航。首先分析了利用X射线脉冲星进行航天器导航的科学基础。从导航应用的角度阐述了X射线脉冲星的自然属性,建立了将卫星处脉冲到达时间转换到太阳系质心处的高精度时间转换方程,分析了航天器导航用X射线探测器研制的可行性,为建立脉冲星导航系统提供了科学依据。研究了利用X射线脉冲星进行卫星几何定轨的技术。阐述了利用脉冲星的脉冲相位观测量确定卫星在惯性系下绝对位置的基本原理,研究采用最小二乘的方法确定整周模糊度和卫星的绝对位置,并在地球同步轨道上验证了该技术的可行性。研究了单脉冲星自主导航系统的可观测性问题。建立了系统的状态方程和量测方程,根据扩展卡尔曼滤波对系统模型进行线性化处理的特点,采用分段式定常系统的可观测性分析方法分析系统的可观测性;理论分析和仿真验证表明,该导航系统的可观测矩阵接近奇异,系统可观测性差,不能对卫星进行长期的轨道估计。最后研究了基于X射线脉冲星观测信息的卫星自主导航算法。提出了卫星轨道动力学与脉冲星观测信息组合的方案,建立了基于相位差分观测量的量测方程,结合轨道动力学方程,采用扩展卡尔曼滤波方法估计卫星的轨道。设计了脉冲星导航仿真分析系统,给出了仿真系统的模块结构和数据处理流程。仿真验证表明,该导航算法能够实现对卫星的精确自主导航。通过本文的研究,建立了脉冲星导航的基本原理和基本算法,并仿真分析了该导航技术能够达到的导航性能,对进一步的系统研究和工程试验具有重要的理论参考意义。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章 绪论  13-18
  1.1 引言  13-14
  1.2 脉冲星导航系统结构  14-15
  1.3 脉冲星导航技术研究现状  15-16
    1.3.1 国外研究现状  15
    1.3.2 国内研究现状  15-16
  1.4 课题研究背景及意义  16-17
  1.5 本文的主要研究内容  17-18
第二章 脉冲星导航的科学基础分析  18-28
  2.1 引言  18
  2.2 脉冲星导航属性分析  18-20
    2.2.1 脉冲星导航属性  18-20
    2.2.2 脉冲星钟模型  20
  2.3 X 射线脉冲的传播时间分析  20-25
    2.3.1 一阶时间转换  21
    2.3.2 高阶时间转换  21-24
    2.3.3 数值分析  24-25
  2.4 X 射线探测器特性分析  25-27
    2.4.1 探测器原理  26
    2.4.2 导航用探测器研制的可行性  26-27
  2.5 本章小结  27-28
第三章 基于脉冲星的卫星几何定轨技术研究  28-36
  3.1 引言  28
  3.2 时间系统与坐标系统  28-30
    3.2.1 脉冲星导航的时间系统  28-29
    3.2.2 坐标系统  29-30
  3.3 脉冲星几何定轨原理分析  30-31
  3.4 整周模糊度确定方法  31-33
  3.5 仿真分析  33-35
  3.6 本章小结  35-36
第四章 单脉冲星导航系统可行性研究  36-45
  4.1 引言  36
  4.2 系统数学模型的建立  36-38
    4.3.1 卫星轨道动力学模型分析  36-37
    4.3.2 系统量测模型的建立  37-38
  4.3 单脉冲星导航系统的可观测性分析  38-42
    4.2.1 PWCS 可观测性分析方法  39-40
    4.2.2 系统可观测性分析  40-42
  4.4 数学仿真与分析  42-44
  4.5 本章小结  44-45
第五章 X 射线脉冲星导航仿真系统设计  45-64
  5.1 引言  45
  5.2 卫星自主定轨算法  45-52
    5.2.1 脉冲星自主导航系统方案设计  45-46
    5.2.2 卫星轨道动力学方程  46-48
    5.2.3 脉冲星导航系统量测方程  48-51
    5.2.4 扩展卡尔曼滤波器设计  51-52
  5.3 导航系统仿真平台设计  52-56
    5.3.1 脉冲观测数据处理  53-54
    5.3.2 卫星星历获取  54-55
    5.3.3 系统仿真软件设计  55-56
  5.4 仿真算例  56-63
    5.4.1 仿真描述  56-57
    5.4.2 卫星轨道动力学预报分析  57-60
    5.4.3 自主导航算法仿真  60-63
  5.5 本章小结  63-64
第六章 全文总结与展望  64-66
  6.1 本文的主要工作  64-65
  6.2 进一步研究展望  65-66
参考文献  66-70
致谢  70-71
在学期间的研究成果及发表的学术论文  71

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中图分类: > 航空、航天 > 航天（宇宙航行） > 航天仪表、航天器设备、航天器制导与控制 > 制导与控制 > 航天器制导与控制 > 制导
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