专利名称：一种x脉冲星探测器等效器的航天器导航系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种X脉冲星等效器，适用于基于X脉冲星的航天器导航的精度影响分析以及导航系统的研制，将其与传统导航系统构建成组合导航系统都具有重要价值。
背景技术：
随着自主天文导航技术的发展，利用自然天体进行导航倍受青睐，X脉冲星是一种高速自转的中子星，可提供位置、速度、姿态和时间等丰富的全程导航信息，是实现航天器全程高精度自主导航和运行管理的有效手段。脉冲星自转周期范围一般为1. 6ms 1000s， 且具有良好的周期稳定性，尤其是毫秒级脉冲星的自转周期变化率达到10, 10_2°，被誉为自然界最稳定的天文时钟。X射线属于高能光子，集中了脉冲星绝大部分辐射能量，易于小型化设备探测与处理，因此可通过接收X脉冲星产生的光子信息，通过探测、周期折叠获得脉冲到达时间作为量测信息，实现航天器的自主导航。基于X射线脉冲星的航天器自主位置确定的基本原理如图3所示。在太阳质心惯性系中，脉冲到达太阳系质心(solar systeB barycenter, SSB)的时间tSSB和测量到的脉冲到达航天器的时间ts。之差与光速的乘积等于航天器的位置矢量rSSB在脉冲星视线矢量方向η上投影的大小，c · At = c* (tSSB-tSG) = η · rSSB (4)利用上述关系结合航天器轨道动力学状态模型即进行确定航天器的位置rSSB。从式(4)可见为完成航天器自主导航的关键是必须确定X脉冲到达太阳系质心的时间tSSB和脉冲到达航天器的时间tsc，而这两个时间是不能直接测量的物理量，必须通过探测敏感器探测的光子到达时间，经过一系列的复杂处理才能得到tSSB和ts。，脉冲星探测器探测到的光子到达航天器的时间，经过时间转换、坐标变换、周期折叠、脉冲轮廓的提取、再与X脉冲星星历信息进行互相关的处理，通过周期特性识别出是哪颗脉冲星，进而得到tSSB和tsc。 整个的过程涉及多个环节的误差，这些误差是影响导航精度的重要原因。而利用X脉冲星等效器可进行误差链的设计，分析影响航天器导航精度诸多因素之间的相互关系，因此该X 脉冲星等效器的研制具有重要意义。目前，国内外在X脉冲星探测器研制还处于初级阶段，等效器的研究极为有限，目前公开的文献报道的有进行脉冲信号模拟器研制，直接用输出的是脉冲星产生的模拟信号，而未模拟真实X脉冲星探测器探测的是光子到达时间，以及转换过程中的误差链传递的因素，这样直接模拟脉冲信号，已经缺失很多原始信息和后续处理的环节，在模拟的真实性上大大减低。因此本发明提出一种新型的X脉冲星导航等效器，从最原始的光子到达时间进行模拟，并采用了航天器导航系统中可利用的相对精准的时间系统，以及航天器上所采用的真实电路输出接口。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有X脉冲星等效器或是模拟器只模拟脉冲到达
4时间，不能从探测器源头模拟光子到达时间，忽略中间环节的计算误差和时间统一等方面的不足，以及后续导航处理缺失，提供一种等效精度高、并可通过参数设置模拟不同探测精度的X脉冲星探测器，并直接输出航天器的位置和速度信息。本发明的技术解决方案是一种基于X脉冲星探测等效器的航天器导航系统包括探测器模拟部分、实时数据处理部分、导航解算部分、时间统一系统及X脉冲星星历存储系统；其中模拟探测器，根据所模拟的探测器的分辨率以及航天器位置，模拟探测器发出光子的数量和X射线光子到达探测器的时间τ，通过RS422通讯接口传给实时数据处理部分；实时数据处理部分，根据从X脉冲星所发出的光子到达时间计算出脉冲到达时间，实现过程为将X射线光子到达探测器的时间τ转换为到达太阳质心坐标系的时间t; 对转换后的时间t进行周期的折叠，得到实际探测到的脉冲星轮廓；然后将所述实际探测到的脉冲星轮廓与X脉冲星星历存储系统中存诸的脉冲星标准轮廓进行互相关处理，以确定是哪一颗X脉冲星；进而与该颗脉冲星标准轮廓进行比较，差值并解整周期后，得到脉冲到达时间；导航解算部分，将实时数据处理部分得到的脉冲到达时间作为量测信息结合导航星的信息，利用轨道动力学方程和卡尔曼滤波，最终解算出精准的航天器轨道和时间信息；时间统一系统，利用GPS接收机提供的秒脉冲作为时间基准，通过串口将UTC时间和秒脉冲数据送入实时数据处理部分，进行时间同步；X脉冲星星历存储系统，存储X脉冲基本星历信息，所述基本星历信息为物理特征参数，脉冲星标准轮廓、赤经、赤纬、距离、脉冲周期、历元。所述X射线光子到达探测器的时间τ转换为到达太阳质心坐标系的时间t公式如下
',U IfvV"dt= 1 + —+ - 一 τ
.c 1^cj」 ⑴式中，U是作用在航天器时钟上的总重力场，包括太阳系中所有星体的重力势能， 主要是太阳重力场的作用，ν是深空探测器在太阳系中的运动速度，c为光在真空中传播的速度，对公式(1)进行积分，得到
、！·<■ U 1 广 ν、2
dt=(t-t0)= l + -j +--dr
j^o c 2yc J=(π0)+I —+ - - dr
0Lc 2⑷J⑵所述对转换后的时间t进行周期的折叠，得到脉冲星轮廓的过程如下(1)将每一个光子到达时间记录下来，即得到光子到达时间序列T0A1，T0A2, T0A3,T0A4, '"TOAN,任选一个光子到达时间TOAi暂时定为折叠起点，并计算与其它光子到达时间点的间隔Δ、_1，Δ、_2，......Δ、_Ν;(2)脉冲的周期性决定了上述时间间隔Ati^2,......Δ、_Ν，存在一定的聚集性，即与第i个光子在一个周期内的光子到达时间间隔较小，而与它不同周期的光子间到达时间间隔由于包含了无脉冲时段接收不到光子，明显会增大，由此分割出不属于同一周期的脉冲光子，并大致确定处在每个脉冲边缘的光子；(3)并将每个光子到达时间T0A1，T0A2，T0A3，T0A4，…TOAN经过时频域变换，转换到频域内，以上述脉冲边缘的光子到达时间为折叠起点，将所有脉冲周期的光子均折叠在一个周期内，以频域为横轴，光子个数为纵轴，得到脉冲轮廓；(4)如果经过足够多个周期折叠后轮廓仍不明显，即无明显的波峰，则说明步骤 (2)中脉冲边缘确定有误，则重复步骤( 重选暂时折叠起点，直至构建的脉冲轮廓清晰明显为止。所述实际探测到的脉冲星轮廓与X脉冲星星历存储系统中存诸的脉冲星标准轮廓进行互相关处理过程为负责存储X脉冲星历信息采用ArecibO天文台长期观测毫秒脉冲星星表，其中存储的脉冲星标准轮廓的特征参数包括脉冲宽度Bi、峰值强度B2、50%峰值时脉冲轮廓宽度B3、10%峰值时脉冲轮廓宽度B4、峰谷强度B5。将此已知的脉冲星信息矢量定义为B，和计算得出实际脉冲轮廓信息M，包括脉冲宽度Ml、峰值强度M2、50 %峰值时脉冲轮廓宽度M3、10 %峰值时脉冲轮廓宽度M4、峰谷强度M5进行相关性处理，相关处理函数的定义为
权利要求
1. 一种基于X脉冲星探测等效器的航天器导航系统，其特征在于包括探测器模拟部分(1)、实时数据处理部分O)、导航解算部分(3)、时间统一系统(4)及X脉冲星星历存储系统(5)；其中模拟探测器(1)，根据所模拟的探测器的分辨率以及航天器位置，模拟探测器发出光子的数量和X射线光子到达探测器的时间τ，通过RS422通讯接口传给实时数据处理部分 ⑵；实时数据处理部分O)，根据从X脉冲星所发出的光子到达时间计算出脉冲到达时间， 实现过程为将X射线光子到达探测器的时间τ转换为到达太阳质心坐标系的时间t;对转换后的时间t进行周期的折叠，得到实际探测到的脉冲星轮廓；然后将所述实际探测到的脉冲星轮廓与X脉冲星星历存储系统(5)中存诸的脉冲星标准轮廓进行互相关处理，以确定是哪一颗X脉冲星；进而与该颗脉冲星标准轮廓进行比较，差值并解整周期后，得到脉冲到达时间；导航解算部分(3)，将实时数据处理部分(2)得到的脉冲到达时间作为量测信息结合导航星的信息，利用轨道动力学方程和卡尔曼滤波，最终解算出精准的航天器轨道和时间 fn息；时间统一系统，利用GPS接收机提供的秒脉冲作为时间基准，通过串口将UTC时间和秒脉冲数据送入实时数据处理部分O)，进行时间同步；X脉冲星星历存储系统(5)，存储X脉冲基本星历信息，所述基本星历信息为物理特征参数，脉冲星标准轮廓、赤经、赤纬、距离、脉冲周期、历元。
2.根据权利要求1所述的一种基于X脉冲星探测等效器的航天器导航系统，其特征在于所述X射线光子到达探测器的时间τ转换为到达太阳质心坐标系的时间t公式如下dt =1 +U 1C2 2 νλ2 kCJ τ(1)式中，U是作用在航天器时钟上的总重力场，包括太阳系中所有星体的重力势能，主要是太阳重力场的作用，ν是深空探测器在太阳系中的运动速度，c为光在真空中传播的速度，对公式(1)进行积分，得到dt二(t-t0):= (K0) +C2 2νdrU 1C2 2 、2VC； τ⑵
3.根据权利要求1所述的一种基于X脉冲星探测等效器的航天器导航系统，其特征在于所述对转换后的时间t进行周期的折叠，得到脉冲星轮廓的过程如下(1)将每一个光子到达时间记录下来，即得到光子到达时间序列T0A1，T0A2,T0A3, T0A4, -ΤΟΑΝ，任选一个光子到达时间TOAi暂时定为折叠起点，并计算与其它光子到达时间点的间隔 Δ、_1，Δ、_2，......Δ、_Ν;(2)脉冲的周期性决定了上述时间间隔Atg，Ati^2,......Δ、_Ν，存在一定的聚集性，即与第i个光子在一个周期内的光子到达时间间隔较小，而与它不同周期的光子间到达时间间隔由于包含了无脉冲时段接收不到光子，明显会增大，由此分割出不属于同一周期的脉冲光子，并大致确定处在每个脉冲边缘的光子；(3)并将每个光子到达时间TOAl，T0A2,T0A3, T0A4, -TOAN经过时频域变换，转换到频域内，以上述脉冲边缘的光子到达时间为折叠起点，将所有脉冲周期的光子均折叠在一个周期内，以频域为横轴，光子个数为纵轴，得到脉冲轮廓；(4)如果经过足够多个周期折叠后轮廓仍不明显，即无明显的波峰，则说明步骤O)中脉冲边缘确定有误，则重复步骤(2)重选暂时折叠起点，直至构建的脉冲轮廓清晰明显为止。
4.根据权利要求1所述一种基于X脉冲星探测等效器的航天器导航系统，其特征在于 所述将所述实际探测到的脉冲星轮廓与X脉冲星星历存储系统( 中存诸的脉冲星标准轮廓进行互相关处理过程为负责存储X脉冲星历信息采用Arecibo天文台长期观测毫秒脉冲星星表，其中存储的脉冲星标准轮廓的特征参数包括脉冲宽度Bi、峰值强度B2、50%峰值时脉冲轮廓宽度B3、10%峰值时脉冲轮廓宽度B4、峰谷强度B5 ；将此已知的脉冲星信息矢量定义为B，和计算得出实际脉冲轮廓信息M，包括脉冲宽度Ml、峰值强度M2、50%峰值时脉冲轮廓宽度M3、10%峰值时脉冲轮廓宽度M4、峰谷强度M5进行相关性处理，相关处理函数的定义为
全文摘要
一种基于X脉冲星探测等效器的航天器导航方案，主要包括模拟X脉冲星探测器探测到的X脉冲星发出光子信息，以及解算出航天器位置、速度导航信息的过程。整个模拟过程分为探测器模拟、数据处理和导航解算三部分。第一部分探测器模拟光子到达时间；第二部分数据处理系统利用X脉冲星光子到达时间进行周期的折叠，计算脉冲轮廓，并进行时间转换，与已知星历存储的标准轮廓进行脉冲轮廓互相关处理，完成脉冲到达时间的计算。第三部分导航解算，将脉冲到达时间作为量测信息，再结合轨道轨道动力学方程和卡尔曼滤波，最终解算出精准的航天器轨道和时间信息。利用X脉冲星等效器可以分析分辨率、视场、时间转换精度、折叠算法等多种参量和不同算法对航天器自主导航精度的影响，为基于X脉冲星自主导航系统的研制以及与其它系统进行组合导航的研究提供必要的技术支撑。
文档编号G01C21/24GK102175246SQ20101062389
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月31日 优先权日2010年12月31日
发明者刘翠翠, 杨照华, 武瑾媛, 祁振强 申请人:北京航空航天大学