[发明专利]一种X射线脉冲星导航信号整周模糊度检测与估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及导航信息获取与处理技术领域，特别涉及一种X射线脉冲星导航信号的整周模糊度检测与估计方法。

背景技术

XNAV（X-ray pulsar-based navigation，X射线脉冲星导航）是近年来发展迅速的一种天文导航技术，它基于X射线脉冲星辐射的高稳定脉冲信号和已知的脉冲星空间位置信息，为观测者提供航天器的位置、速度、姿态乃至时间等运动参数信息，相比地面雷达和GNSS（Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统）等传统导航技术，具有完全自主、稳定、可靠和高精度等诸多优势。因此，将XNAV系统应用于航天器自主导航，特别是深空探测中的行星际航天器自主导航，有重要的理论和实际意义。

X射线脉冲星导航信号是脉冲星辐射信号到航天器和空间参考点（如太阳系质心、地球质心等）的TDOA（time difference of arrival，到达时间差）测量，它是导航接收机获取的脉冲星辐射信号经过降噪和相位估计等处理后获得的，其整周模糊度的快速检测和准确估计是提高XANV导航性能的关键因素之一。TDOA测量的整周模糊度解算是一个三维空间解模糊问题，传统的空间搜索方法计算复杂度很高。为提高算法实时性，有学者提出直接利用TDOA测量或航天器轨道预测值估计整周模糊度的方法，然而由于TDOA测量误差较大，以及系统工作初期或发生故障时轨道预测精度较低，容易出现整周模糊度的漏检和虚警，可靠性较低，这就要求我们提出高效稳健的整周模糊度检测与估计方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种高效稳健的XNAV信号整周模糊度检测和估计方法。本方法利用XNAV信号整周模糊度的相位整周特性和稀疏变化特性，将整周模糊度的检测和估计看成系统误差的估计问题，采用稀疏寻优方法，快速高效的完成整周模糊度的检测与估计。

本发明技术方案的基本思路是，由于XNAV信号整周模糊度的出现和周跳变化通常只在少数几个脉冲星测量通道内发生，因此通过将整周模糊度等效为一种系统测量误差，在每个新的TDOA测量时刻，首先利用之前估计得到的整周模糊度修正TDOA测量，然后估计航天器的轨道和接收机钟差，再利用TDOA测量残差进行稀疏寻优，检测每个测量通道内整周模糊度的存在性，最后利用TDOA测量残差估计得到新的XNAV信号整周模糊度。

本发明的技术方案是，已知XNAV系统具有N颗脉冲星的测量通道，各测量通道的信号积累周期为ΔT_i,i＝1,…,i,N，第i颗脉冲星TDOA测量的信号周期为T_i,i＝1,…,i,N，第i颗脉冲星TDOA测量的噪声标准差为σ_i,i＝1,…,i,N，第i颗脉冲星TDOA测量的整周模糊度估计值的初值在任意的测量数据获取时刻k,k＞0，航天器接收到N颗X射线脉冲星的TDOA测量值t_i,k，i＝1,2,...,N，进行下述处理步骤：

步骤一：修正XNAV信号整周模糊度。

将TDOA测量值t_i,k减去k-1时刻的整周模糊度估计值得到TDOA测量修正量t'_i,k。

步骤二：估计航天器轨道和接收机钟差。

根据航天器轨道动力学特征和接收机钟差的时间演化特性，采用典型的脉冲星非线性导航滤波方法（具体方法参照《关于X射线脉冲星导航的轨道力学问题》，帅平等，中国科学E辑，2009.3，第556页到第561页），设计航天器状态滤波器，以TDOA测量修正量t'_i,k,i＝1,2,...,N为滤波器输入，估计航天器状态X_k＝[r_k,v_k,τ_k]^T，其中r_k表示k时刻航天器的轨道位置，v_k表示k时刻航天器的轨道速度，τ_k表示k时刻的导航接收机钟差，并记滤波输出的第i颗脉冲星TDOA测量残差为Δt_i,k，i＝1,…,N。

步骤三：检测XNAV信号的整周模糊度。

计算第i颗脉冲星的归一化TDOA测量残差y_i,k：

y_i,k＝Δt_i,k/σ_i,i＝1,…,N          （公式一）