CN110940332A - 考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法 - Google Patents

考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110940332A
CN110940332A CN201911136938.5A CN201911136938A CN110940332A CN 110940332 A CN110940332 A CN 110940332A CN 201911136938 A CN201911136938 A CN 201911136938A CN 110940332 A CN110940332 A CN 110940332A
Authority
CN
China
Prior art keywords
phase delay
spacecraft
phase
orbit
pulsar
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911136938.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110940332B (zh
Inventor
薛梦凡
彭冬亮
郭云飞
申屠晗
骆吉安
陈志坤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chongqing Shanken Satellite Industrial Technology Research Institute Co ltd
Original Assignee
Hangzhou Electronic Science and Technology University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hangzhou Electronic Science and Technology University filed Critical Hangzhou Electronic Science and Technology University
Priority to CN201911136938.5A priority Critical patent/CN110940332B/zh
Publication of CN110940332A publication Critical patent/CN110940332A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110940332B publication Critical patent/CN110940332B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/02—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00 by astronomical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C21/00—Navigation; Navigational instruments not provided for in groups G01C1/00 - G01C19/00
    • G01C21/20—Instruments for performing navigational calculations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Astronomy & Astrophysics (AREA)
  • Navigation (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

本发明公开了考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法，该方法首先利用轨道动力学模型传播轨道，得到航天器在任意光子到达时刻的预估位置和速度，通过大尺度时间转换和SSB处的相位模型得到任意光子到达时刻的预估相位值，估计出由其初始速度误差所引入的多普勒频移；在修正多普勒频移后通过周期折叠获得观测脉冲轮廓，估计出由初始位置误差所引入的相位延迟，由初始位置误差引入的相位延迟加上由多普勒频率引入的累积相位延迟得到航天器在观测量更新时刻的相位延迟。本发明不用假定航天器初始速度已知情况修正其在轨运动特性对X射线脉冲星信号的影响，避免了联合搜索多普勒频率和相位延迟的巨大运算量，可操作性强，易于实现。

Description

考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法
技术领域
本发明属于航天器自主导航领域，特别涉及一种考虑航天器轨道动态效应的在轨脉冲星信号相位延迟估计方法。
背景技术
X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主导航方法，其导航精度不受航天器与天体相对位置的影响，是未来最具潜力的深空导航方式。X射线脉冲星导航利用脉冲星辐射的X射线光子信号进行导航，航天器通过将在轨观测的脉冲星信号与太阳系质心(SSB)处的标准信号模型进行比对处理以获取导航的基本观测量，即观测的脉冲星信号与标准信号模型之间的脉冲相位延迟。
脉冲相位延迟的估计精度制约着脉冲星导航的精度。脉冲星位于遥远的太阳系以外，其辐射的信号到达航天器时已经衰减为单光子序列，如何从观测到的光子序列中提取出脉冲相位延迟时脉冲星导航的关键技术之一。在不考虑航天器轨道动态效应的前提下，该技术可通过两种方法实现：第一种方法通过周期折叠获得观测脉冲轮廓，再利用互相关，Taylor FFT，非线性最小二乘等方法计算观测轮廓与标准轮廓之间的相位延迟；第二种方法直接利用观测到的光子到达时间序列，通过最大似然方法估计相位延迟。但是，实际导航中，由于航天器动态运动所引起的多普勒效应会使得上述两种方法均失效。因此，提出考虑航天器轨道动态效应的在轨脉冲相位延迟估计方法，对促进脉冲星导航的发展十分必要。
文献1(刘劲,曾宪武,房建成,宁晓琳.基于星光多普勒的脉冲星脉冲到达时间补偿[J].2014,42(1):129-132.)通过引入星光多普勒的测量信息来修正脉冲到达时间，然而该方法未从本质上考虑轨道动态运动对光子到达相位的影响，只是将多普勒效应建模为对整体的脉冲到达时间的影响，而且通过引入辅助信息来实现目的，
申请号为201510491219.0的专利提出了一种基于轨道动力学辅助的动态脉冲星信处理方法，然而该方法在建模上忽略了光子在大尺度空间传播时的各种动态的延迟效应，例如夏皮洛延迟，爱因斯坦延迟等，而且该方法使用二维最大似然联合估计脉冲相位和多普勒频率，面临巨大的运算量，也没有办法利用光子序列周期折叠对频率估计误差天然的鲁棒性。综上，该方法仍未较好地解决在轨脉冲星信号的脉冲相位延迟估计问题。
发明内容
本发明为解决在轨X射线脉冲星信号的脉冲相位延迟估计这一技术问题，提出一种考虑航天器轨道动态效应的在轨脉冲星信号相位延迟估计方法。
本发明方法包括以下步骤：
步骤(1)、利于预估轨道信息计算光子到达时间ti所对应的预估相位值
Figure BDA0002279820060000021
已知航天器在观测初始时刻的预估位置和速度，利用航天器的轨道动力学模型传播轨道，得到航天器在ti时刻相对于太阳系质心SSB的预估位置
Figure BDA0002279820060000022
则ti时刻所对应的预估相位值
Figure BDA0002279820060000023
为：
Figure BDA0002279820060000024
其中：φSSB为脉冲星在SSB处的相位模型；n为脉冲星的方向向量；c为光速；
Figure BDA0002279820060000025
和
Figure BDA0002279820060000026
分别为周年视差，夏皮洛延迟以及爱因斯坦延迟；M为观测时段内的到达光子数目。
步骤(2)、利用式(2)得到多普勒频率估计值
Figure BDA0002279820060000027
Figure BDA0002279820060000028
其中：
Figure BDA0002279820060000029
式(3)中：n为谐波次数；
Figure BDA0002279820060000031
其中q为候选多普勒频率值，ts为该观测时段的起始观测时刻。
步骤(3)、根据公式(4)计算光子到达时刻ti所对应的相位值φ(ti)：
Figure BDA0002279820060000032
步骤(4)、已知
Figure BDA0002279820060000033
利用周期折叠获得观测脉冲轮廓
Figure BDA0002279820060000034
其中ci为每个并块内的光子数，Nb为一个相位周期内的并块数。
步骤(5)、利用式(5)估计得到ts时刻的脉冲相位延迟
Figure BDA0002279820060000035
Figure BDA0002279820060000036
其中
Figure BDA0002279820060000037
λ(p)如式(6)是所示，其为脉冲星在一个相位周期内的离散化标准流量函数，
Figure BDA0002279820060000038
其中：α为有效背景X射线流量；β为有效星源流量；h()为脉冲星的标准脉冲轮廓；p为候选相位延迟量。
步骤(6)、利用式(7)便可得到观测量更新时刻t的脉冲相位延迟
Figure BDA0002279820060000039
Figure BDA00022798200600000310
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明对航天器在轨接收到的与X射线脉冲星信号具有类似周期性非齐次泊松分布特性的信号具有普适性。
(2)本发明所提相位延迟估计方法在不需要假定航天器初始速度已知的情况下修正了航天器在轨运动特性对X射线脉冲星信号的影响，更具有实用性。
(3)本发明所提方法避免了联合搜索多普勒频率和相位延迟的巨大运算量，可操作性强，易于实现。
附图说明
图1为本发明考虑航天器轨道动态效应的在轨脉冲星信号相位延迟估计方法的流程图。
图2为本发明考虑航天器轨道动态效应的在轨脉冲星信号相位延迟估计方法的原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
本实施例以一个处于巡航段的深空探测器为例，假设航天器在观测时段[ts,te]内探测到的光子到达时间序列为
Figure BDA0002279820060000041
在利用所提的考虑航天器轨道动态效应的在轨脉冲星信号相位延迟估计方法进行相位延迟估计时包括以下步骤，如图1和图2所示：
步骤(1)、利于预估轨道信息计算光子到达时间ti所对应的预估相位值
Figure BDA0002279820060000042
已知航天器在观测初始时刻的预估位置和速度，利用航天器的轨道动力学模型传播轨道，得到航天器在所有ti时刻相对于太阳系质心SSB的预估位置
Figure BDA0002279820060000043
则ti时刻所对应的预估相位值
Figure BDA0002279820060000044
为：
Figure BDA0002279820060000045
其中：φSSB为脉冲星在SSB处的相位模型；n为脉冲星的方向向量；c为光速；
Figure BDA0002279820060000046
和
Figure BDA0002279820060000047
分别为周年视差，夏皮洛延迟以及爱因斯坦延迟；M为观测时段内的到达光子数目。
步骤(2)、利用式(9)估计得到多普勒频率估计值
Figure BDA0002279820060000048
Figure BDA0002279820060000049
其中：
Figure BDA00022798200600000410
式(10)中：n为谐波次数；
Figure BDA00022798200600000411
其中q为候选多普勒频率值。
步骤(3)、根据公式(11)计算光子到达时刻ti所对应的相位值φ(ti)：
Figure BDA0002279820060000051
其中ts为该观测时段的起始观测时刻。
步骤(4)、已知
Figure BDA0002279820060000052
利用周期折叠获得观测脉冲轮廓
Figure BDA0002279820060000053
其中ci为每个并块内的光子数，Nb为一个相位周期内的并块数。
步骤(5)、利用式(12)估计得到ts时刻的脉冲相位延迟
Figure BDA0002279820060000054
Figure BDA0002279820060000055
其中
Figure BDA0002279820060000056
λ(p)如式(13)是所示，其为脉冲星在一个相位周期内的离散化标准流量函数，
Figure BDA0002279820060000057
其中：α为有效背景X射线流量；β为有效星源流量；h()为脉冲星的标准脉冲轮廓；p为候选相位延迟量。
步骤(6)、利用式(14)便可得到观测量更新时刻t的脉冲相位延迟
Figure BDA0002279820060000058
Figure BDA0002279820060000059
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (1)

1.考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法，其特征在于：
步骤(1)、利于预估轨道信息计算光子到达时间ti所对应的预估相位值
Figure FDA0002279820050000011
已知航天器在观测初始时刻的预估位置和速度，利用航天器的轨道动力学模型传播轨道，得到航天器在ti时刻相对于太阳系质心SSB的预估位置
Figure FDA0002279820050000012
则ti时刻所对应的预估相位值
Figure FDA0002279820050000013
为：
Figure FDA0002279820050000014
其中：φSSB为脉冲星在SSB处的相位模型；n为脉冲星的方向向量；c为光速；
Figure FDA0002279820050000015
和
Figure FDA0002279820050000016
分别为周年视差，夏皮洛延迟以及爱因斯坦延迟；M为观测时段内的到达光子数目；
步骤(2)、利用式(2)得到多普勒频率估计值
Figure FDA0002279820050000017
Figure FDA0002279820050000018
其中：
Figure FDA0002279820050000019
式(3)中：n为谐波次数；
Figure FDA00022798200500000110
其中q为候选多普勒频率值，ts为该观测时段的起始观测时刻；
步骤(3)、根据公式(4)计算光子到达时刻ti所对应的相位值φ(ti)：
Figure FDA00022798200500000111
步骤(4)、已知
Figure FDA00022798200500000112
利用周期折叠获得观测脉冲轮廓
Figure FDA00022798200500000113
其中ci为每个并块内的光子数，Nb为一个相位周期内的并块数；
步骤(5)、利用式(5)估计得到ts时刻的脉冲相位延迟
Figure FDA0002279820050000021
Figure FDA0002279820050000022
其中
Figure FDA0002279820050000023
λ(p)如式(6)是所示，其为脉冲星在一个相位周期内的离散化标准流量函数，
Figure FDA0002279820050000024
其中：α为有效背景X射线流量；β为有效星源流量；h()为脉冲星的标准脉冲轮廓；p为候选相位延迟量；
步骤(6)、利用式(7)便可得到观测量更新时刻t的脉冲相位延迟
Figure FDA0002279820050000025
Figure FDA0002279820050000026
CN201911136938.5A 2019-11-19 2019-11-19 考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法 Active CN110940332B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911136938.5A CN110940332B (zh) 2019-11-19 2019-11-19 考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911136938.5A CN110940332B (zh) 2019-11-19 2019-11-19 考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110940332A true CN110940332A (zh) 2020-03-31
CN110940332B CN110940332B (zh) 2021-06-01

Family

ID=69906824

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911136938.5A Active CN110940332B (zh) 2019-11-19 2019-11-19 考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110940332B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111649735A (zh) * 2020-06-12 2020-09-11 中国空间技术研究院 一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法
CN113375677A (zh) * 2021-08-12 2021-09-10 中国人民解放军国防科技大学 一种基于脉冲星观测的航天器定速方法
CN113375697A (zh) * 2021-06-23 2021-09-10 西安电子科技大学 基于最大后验估计的x射线脉冲星信号时延估计方法
CN115164873A (zh) * 2022-09-07 2022-10-11 中国人民解放军国防科技大学 一种x射线脉冲星导航的脉冲星信号处理误差修正方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101038169A (zh) * 2007-02-13 2007-09-19 北京空间飞行器总体设计部 基于x射线脉冲星的导航卫星自主导航系统与方法
JP2011007683A (ja) * 2009-06-26 2011-01-13 Seiko Epson Corp マルチパス信号信頼度判定方法、コード位相誤差算出方法、コード位相算出方法、位置算出方法及びマルチパス信号信頼度判定装置
CN104990548A (zh) * 2015-08-12 2015-10-21 中国人民解放军国防科学技术大学 基于历元折合的动态脉冲星信号的处理方法
CN105004338A (zh) * 2015-08-12 2015-10-28 中国人民解放军国防科学技术大学 轨道动力学辅助动态脉冲星信号的处理方法
CN105136139A (zh) * 2015-08-12 2015-12-09 中国人民解放军国防科学技术大学 轨道动力学辅助动态脉冲星信号处理方法
CN105300386A (zh) * 2015-10-28 2016-02-03 西安电子科技大学 一种x射线脉冲星光子序列的频域加权比相方法
CN107084726A (zh) * 2017-05-18 2017-08-22 北京航空航天大学 一种基于太阳震荡时间延迟的自主天文导航方法
CN110132286A (zh) * 2019-03-04 2019-08-16 杭州电子科技大学 考虑航天器动态效应及系统偏差的x射线脉冲星导航方法
CN110186464A (zh) * 2019-05-30 2019-08-30 西安电子科技大学 一种基于贝叶斯估计的x射线脉冲星导航toa估计方法

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101038169A (zh) * 2007-02-13 2007-09-19 北京空间飞行器总体设计部 基于x射线脉冲星的导航卫星自主导航系统与方法
JP2011007683A (ja) * 2009-06-26 2011-01-13 Seiko Epson Corp マルチパス信号信頼度判定方法、コード位相誤差算出方法、コード位相算出方法、位置算出方法及びマルチパス信号信頼度判定装置
CN104990548A (zh) * 2015-08-12 2015-10-21 中国人民解放军国防科学技术大学 基于历元折合的动态脉冲星信号的处理方法
CN105004338A (zh) * 2015-08-12 2015-10-28 中国人民解放军国防科学技术大学 轨道动力学辅助动态脉冲星信号的处理方法
CN105136139A (zh) * 2015-08-12 2015-12-09 中国人民解放军国防科学技术大学 轨道动力学辅助动态脉冲星信号处理方法
CN105300386A (zh) * 2015-10-28 2016-02-03 西安电子科技大学 一种x射线脉冲星光子序列的频域加权比相方法
CN107084726A (zh) * 2017-05-18 2017-08-22 北京航空航天大学 一种基于太阳震荡时间延迟的自主天文导航方法
CN110132286A (zh) * 2019-03-04 2019-08-16 杭州电子科技大学 考虑航天器动态效应及系统偏差的x射线脉冲星导航方法
CN110186464A (zh) * 2019-05-30 2019-08-30 西安电子科技大学 一种基于贝叶斯估计的x射线脉冲星导航toa估计方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DE JAGER, O.C.等: "A powerful test for weak periodic signals with unknown light curve shape in sparse data", 《ASTRONOMY AND ASTROPHYSICS》 *
XUE MENGFAN等: "A fast pulse phase estimation method for X-ray", 《CHINESE JOURNAL OF AERONAUTICS》 *
刘劲等: "基于星光多普勒的脉冲星脉冲到达时间补偿", 《华中科技大学学报（自然科学版）》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111649735A (zh) * 2020-06-12 2020-09-11 中国空间技术研究院 一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法
CN111649735B (zh) * 2020-06-12 2021-11-16 中国空间技术研究院 一种基于光子概率的脉冲星信号降噪方法
CN113375697A (zh) * 2021-06-23 2021-09-10 西安电子科技大学 基于最大后验估计的x射线脉冲星信号时延估计方法
CN113375697B (zh) * 2021-06-23 2022-09-23 西安电子科技大学 基于最大后验估计的x射线脉冲星信号时延估计方法
CN113375677A (zh) * 2021-08-12 2021-09-10 中国人民解放军国防科技大学 一种基于脉冲星观测的航天器定速方法
CN113375677B (zh) * 2021-08-12 2021-11-02 中国人民解放军国防科技大学 一种基于脉冲星观测的航天器定速方法
CN115164873A (zh) * 2022-09-07 2022-10-11 中国人民解放军国防科技大学 一种x射线脉冲星导航的脉冲星信号处理误差修正方法
CN115164873B (zh) * 2022-09-07 2022-12-09 中国人民解放军国防科技大学 一种x射线脉冲星导航的脉冲星信号处理误差修正方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110940332B (zh) 2021-06-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110940332B (zh) 考虑航天器轨道动态效应的脉冲星信号相位延迟估计方法
CN109324330B (zh) 基于混合无导数扩展卡尔曼滤波的usbl/sins紧组合导航定位方法
CN110057365B (zh) 一种大潜深auv下潜定位方法
CN107990910B (zh) 一种基于容积卡尔曼滤波的舰船大方位失准角传递对准方法
Morgado et al. Tightly coupled ultrashort baseline and inertial navigation system for underwater vehicles: An experimental validation
Li et al. A fast SINS initial alignment scheme for underwater vehicle applications
CN103542854B (zh) 基于星载处理器的自主定轨方法
Zhou et al. Equality constrained robust measurement fusion for adaptive kalman-filter-based heterogeneous multi-sensor navigation
CN110567455B (zh) 一种求积更新容积卡尔曼滤波的紧组合导航方法
Xu et al. Maximum correntropy delay Kalman filter for SINS/USBL integrated navigation
CN103256942A (zh) 传递对准中考虑杆臂补偿的变形角测量方法
CN101592733A (zh) 一种逆合成孔径雷达并行实时成像处理方法
CN103487820A (zh) 一种车载捷联/卫星紧组合无缝导航方法
WO2024066028A1 (zh) 一种基于观测值外推的卫星定位方法和装置
CN114777812B (zh) 一种水下组合导航系统行进间对准与姿态估计方法
Sun et al. A maximum correntropy divided difference filter for cooperative localization
CN104459751A (zh) 基于gnss反射信号的双站雷达空间目标相对导航方法
CN115307643A (zh) 一种双应答器辅助的sins/usbl组合导航方法
Wiktor et al. Collaborative multi-robot localization in natural terrain
Zhang et al. A calibration method of ultra-short baseline installation error with large misalignment based on variational Bayesian unscented Kalman filter
CN111982105A (zh) 一种基于sins/lbl紧组合的水下导航定位方法及系统
CN104035110A (zh) 应用于多模卫星导航系统中的快速卡尔曼滤波定位方法
CN105572711A (zh) 基于星间距离压缩的模糊搜索gps接收机粗时定位方法
Zhang et al. Auto-BAHN: Software for near real-time GPS orbit and clock computations
CN115235513B (zh) 一种基于伪距和伪距率的惯导校正方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20210914

Address after: 230000 B-1015, wo Yuan Garden, 81 Ganquan Road, Shushan District, Hefei, Anhui.

Patentee after: HEFEI MINGLONG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: 310018 No. 2 street, Xiasha Higher Education Zone, Hangzhou, Zhejiang

Patentee before: HANGZHOU DIANZI University

TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20231222

Address after: No. 11, 2nd Floor, Building 19, No. 64 Rongsheng Road, Changzhou Street, Rongchang District, Chongqing, 400000 (in the Torch Cloud Creation Technology Enterprise Incubator of Rongchang National High tech Zone) (cluster registration) (independent commitment)

Patentee after: Chongqing Shanken Satellite Industrial Technology Research Institute Co.,Ltd.

Address before: 230000 B-1015, wo Yuan Garden, 81 Ganquan Road, Shushan District, Hefei, Anhui.

Patentee before: HEFEI MINGLONG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

TR01 Transfer of patent right