[发明专利]利用脉冲星辐射矢量和线偏振信息的航天器姿态测量方法

说明书

技术领域

本发明属于导航技术领域，特别涉及一种利用脉冲星辐射矢量和偏振信息的航天器姿态测量方法，该方法用于为地球轨道或深空探测航天器提供姿态测量服务。

背景技术

X射线脉冲星导航(XPNAV)是一种利用X射线脉冲星辐射的具有稳定周期的脉冲信号进行导航的技术，与传统方法相比XPNAV具有许多优点，比如：(1)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)有利于减少维护成本和提高抗干扰能力。鉴于XPNAV得天独厚的特点，近年来XPNAV已经成为国际、国内研究的热点，而基于X射线脉冲星是XPNAV研究中十分重要的研究内容。

早在1996年，斯坦福大学的John Eric Hanson就在他的博士论文中对基于X射线脉冲星的航天器姿态测量技术做了详细讨论。Hanson博士在其博士论文中指出，要实现利用X射线脉冲星的定姿，需要使用两个探测器扫描同一颗星，或者使用一个探测器观测两颗脉冲星，对于实际应用，显然搭载两个探测器的方法成本太高，必须优先考虑单探测器定姿。单探测器观测两颗脉冲星的方法适用于自旋稳定航天器，对于三轴稳定航天器，需要使用万向节控制探测器分时指向不同的脉冲星以实现双脉冲星观测，而分时观测时，观测间隙内姿态渐变是不可控的，这就有可能引入新的随机误差，有时需要反复的调整探测器观测不同的脉冲星以消除这种误差。因此，这种利用脉冲星定姿方法中，脉冲星的优势很难发挥，而与传统星光矢量观测方法相比也无明显优势。近几年，有学者尝试拓展Hanson的研究，并提出了一些改进方案，但基本上是基于Hanson提出的两种定姿模式，并无本质突破。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种利用脉冲星辐射方向矢量和偏振信息的航天器姿态测量方法，实现单X射线探测器观测单脉冲星完成航天器自主姿态测量，以克服传统利用脉冲星对三轴稳定航天器定姿中单探测器必须分时观测两颗脉冲星而引入的附加噪声和频繁调整探测器指向等问题。本发明还能够在姿态测量的同时，完成光子到达时间的记录，从而不影响脉冲星定位。为实现上述目的，本发明的实现方法和技术解决方案为：一种利用脉冲星辐射方向矢量和偏振信息的航天器姿态测量方法，其特征在于包括：X射线偏振探测器、星载原子钟、脉冲星特征参数库、脉冲星辨识算法库、脉冲星信号辨识单元、参考矢量测量单元、偏振曲线统计单元、旋转角距测量单元、姿态矩阵构造单元、探测器指向控制单元和姿态控制平台；X射线偏振探测器配置准直器，在原子钟的支持下记录光子到达时间及其偏振信息，分别送入脉冲星信号辨识单元和偏振曲线重建单元；脉冲星信号辨识单元从脉冲星辨识算法库中提取脉冲星辨识算法进行星源识别，该识别结果送入参考矢量测量单元，完成脉冲星辐射方向矢量测量，测量结果送至姿态矩阵构造单元；偏振曲线重建单元按照时间统计到达光子偏振信息，形成偏振曲线送至旋转角距测量单元，进行辐射矢量的旋转角测量，测量结果送至姿态矩阵构造单元；姿态矩阵构造单元接收来自参考矢量测量单元的矢量信息和旋转角距测量单元的角距信息构造姿态矩阵送至探测器指向控制单元，形成探测器指向控制指令，该指令送至姿态控制平台完成航天器姿态和探测器指向控制。

所述脉冲星辨识算法库包括周期辨识算法和轮廓辨识算法，其中周期辨识算法通过对X射线偏振探测器的采样序列做FFT变换，提取一次谐波频率f₁与脉冲星特征参数库中的脉冲星频率参数f₂逐次比对，使|f₁-f₂|最小的脉冲星即为所观测脉冲星；轮廓辨识算法通过所获取的脉冲星累积轮廓与脉冲星特征参数库中的标准轮廓匹配，匹配度最好的脉冲星即为所观测脉冲星。

所述的参考矢量测量方法为：根据脉冲星信号识别单元的结果，从脉冲星参数库中提取对应脉冲星辐射强度和背景噪声强度等信息，根据准直器的传递函数计算准直器的指向与目标脉冲星辐射矢量夹角，并以此夹角作为损失函数，通过调整准直器指向，使该损失函数最小时，准直器的指向即为参考矢量的方向。