基于单探测器的低轨航天器X射线脉冲星导航算法-论文.pdf

《基于单探测器的低轨航天器X射线脉冲星导航算法-论文.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、第15卷第19期2015年7月科学技术与工程Vo1．15No．19Ju1．20151671—1815(2015)19—0043—05ScienceTechnologyandEngineering⑥2015Sci．Tech．Engrg．航空航天基于单探测器的低轨航天器x射线脉冲星导航算法尹海亮詹亚锋梁昊裴玉奎(清华大学电子工程系和宇航技术研究中心，北京100084)摘要近年来脉冲星自主导航技术飞速发展，即将在低轨道(LEO)航天器开展验证。为了适应低轨航天器载荷轻量化、小型化的需求，研究了基于单探测器的x射

2、线脉冲星导航扩展卡尔曼滤波算法，并针对单脉冲星导航和轮流观测多脉冲星导航两种方案，分别进行了算法仿真。仿真结果表明，仅观测单脉冲星无法实现长期自主导航，但能够将轨道预报误差降低25．9％，提高短期自主导航精度。而单探测器轮流观测多脉冲星可实现长期自主导航，其导航误差达到514m，与多探测器同时观测多脉冲星传统算法相当。关键词自主导航x射线脉冲星单探测器低轨道扩展卡尔曼滤波中图法分类号V448．224；文献标志码A脉冲星是天然的导航信标，其辐射信号具有稳定脉冲星以及轮流观测多颗脉冲星的两种方法进行了的周期轮

3、廓，其中毫秒脉冲星的自转周期变化率达到仿真验证。1O以上，可与原子钟媲美J。综合考虑脉冲星信1导航系统模型号强度、探测器尺寸等因素，人们发现可以选用X射线脉冲星为航天器定位、定姿、定时，从而实现近地、1．1系统状态方程深空乃至行星际范围的航天器高精度全自主导航。航天器自主导航系统的状态方程一般依据其轨自1981年x射线脉冲星导航方法提出以来，道动力学方程建立。考虑到LAMP卫星为低轨道，国内外学者进行了大量理论研究J，形成了一整故在地心天球坐标参考系(GCRS)中，选择位置速套导航方案，脉冲星自主导航技术

4、已经逐渐进入工度矢量作为状态量，则系统状态方程为j：程实现阶段。近年来，美国的NICER探测器和中国(t)=X，t)+(t)(1)的LAMP卫星都计划在低轨道航天器上开展x射式(1)中，X(t)=[，．l，]，其中，为位置矢量，线脉冲星导航技术验证J，为未来实现航天器在深为速度矢量；X，t)为轨道动力学非线性函数；空长期自主飞行奠定基础。w()为系统过程噪声。导航传统算法需要多探测器同时观测多颗脉冲将式(1)线性化后有星’，而LAMP卫星采用以清华大学灵巧通信试6(t)=F(t)8X(t)+’．，(t)(

5、2)验卫星为基础的卫星平台，限制其仅能安装一台x式(2)中，系统雅可比矩阵射线探测器，因此需要实现单探测器的脉冲星导航F()：避(3)方法。文献[8，9]分别针对深空和同步轨道卫星研究了基于单探测器的脉冲星导航算法，现结合将式(2)离散化，则有8X=^6+LAMP卫星的实际情况，针对低轨航天器研究了基一1(4)于单探测器的脉冲星导航算法，并对全程观测一颗式(4)中，一步状态转移矩阵i-tk一。=exp(JF(t)dt)(5)2015年3月19日收到国家自然科学基金(61271265，JtkI9133810

6、3)和清华大学自主科研基金(2011Z05112)资助1．2测量方程第一作者简介：尹海亮(1983一)，男，硕士研究生。研究方向：脉冲对于x射线脉冲星信号的测量，为获得高信噪星导航。E-mail：yhll2@mails．tsinghuaedu．cn。比轮廓和高稳定度周期，一般系统测量模型都采用通信作者简介：詹亚锋(1976一)，男，副研究员。研究方向：深空探太阳系质心(SSB)坐标系]。因此考虑在太阳系质测与通信。E．mail：zhanyf@tsinghua．edu．CB。心天球坐标参考系(BCRS)中，

7、选择x射线脉冲到科学技术与工程15卷达航天器时间t与到达太阳系质心时间之差式(8)中，表示脉冲宽度；F和B分别表示光子(TDOA)作为测量量。其中t由航天器测量获得，辐射流量和背景辐射光子流量；P表示脉冲信号的t由天文观测通过太阳系行星星历预测获得，二者占空比；A表示探测器有效面积；To为观测时间；d之差反映了航天器与太阳系质心的位置矢量差，在为脉冲宽度比。脉冲星方向上的投影，如图1所示。当探测器面积为1nl，观测时间为100S时，表1中列出了选取的3颗脉冲星源的周期以及按照式(8)计算的TDOA测量精度

8、。脉冲星表1引用的脉冲星Table1Selectedpulsars1234脉冲计数图1航天器、太阳系质心和脉冲星的几何关系Fig．1Geometricrelationshipamongthespacecraft，SSBandpulsar1．3扩展卡尔曼滤波算法的改进由于脉冲星距太阳系非常遥远，脉冲星方向矢量标准EKF的基本方程为可对整个太阳系都近似为常值矢量。考虑相对论造成Kk=日T[HP~H+R]的太阳引力场弯曲，t需要由地