[发明专利]一种基于分区搜索的脉冲信号到达时间快速计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及航天器导航领域，特别地，涉及一种基于分区搜索的处理脉冲星信号的脉冲到达时间的快速计算方法，适用于不同飞行任务的X射线脉冲星导航任务。

背景技术

X射线脉冲星导航是一种新兴的天文导航方法。同传统的天文导航方法相比，X射线脉冲星导航可提供良好的外部参考时间频率基准。同以GPS(Global Positioning System)为例的卫星导航系统相比，X射线脉冲星导航不局限于近地空间，可服务于深空探测器。同其他波段相比，X射线脉冲星在X射线频段的特征明显，可避免空间各种信号的干扰。在满足流量和时空分辨率的前提下可降低探测器的体积和功耗。此外，X射线脉冲星的数目较少，信号结构简单，降低了信号识别的难度。

脉冲星的脉冲信号到达时间(Time of Arrival，TOA)是脉冲星导航的基本测量信息。由于脉冲星信号微弱且不连续，需要长期积累光子到达时间信息才能获得理想精度的脉冲信号到达时间。假设固定了脉冲星信号的整周模糊度，脉冲信号的到达时间即在一个周期内变化。目前主流的脉冲到达时间求取方法为历元折合法(Epoch Folding，EF)和直接利用光子到达时间法(Direct Use of TOAs，DUT)。由于利用了所有光子的信息，DUT可获得的TOA理论精度高于EF。然而，DUT需要利用每个光子的信息建立似然函数。在相同观测时间的前提下，DUT的计算复杂度和计算时间都远超EF。目前对DUT的通常解法是在0到1之间的相位区间内进行网格搜索，即为网格搜索法。假设如下场景：观测流量为7800ph/m2/s的Crab脉冲星1小时，DUT的搜索步长为0.0001个相位。在VC6.0的编译环境下，利用主频为2.0GHz的台式机进行500次蒙特卡洛打靶。统计分析表明，DUT的计算时间约为10小时。显然，该计算时间难以被要求强调实时性的航天器导航接受。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于分区搜索的脉冲信号到达时间快速计算方法，以解决脉冲信号到达时间计算过程过于冗长，以致影响到航天器导航反应速度的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于分区搜索的脉冲信号到达时间快速计算方法，包括以下步骤：

A、以h_Origin个相位的步长建立似然函数LF_Origin；

B、搜索LF_Origin的单峰区间，所述单峰区间内有且仅有一个最值点；

C、利用h_Further＝0.5h_Origin个相位的步长建立似然函数LF_Further；

D、搜索LF_Further的单峰区间；

E、判断步骤D的分区结果和步骤B是否相同，如果相同进入步骤F，否则令h_Origin＝h_Further，返回步骤A；

F、在步骤E得到的所有单峰区间内，以似然函数为指标函数，搜索每个单峰区间内的似然函数最值ML_j及相应的相位φ_max,j，j＝1、2、3……N，其中，N为单峰区间的个数；

G、比较N个ML_j的大小，最大的最值ML_j对应的相位φ_max,j即为脉冲星脉冲信号到达时间对应的相位；

H、计算脉冲到达时间TOA＝φ_max,j×P，其中P为脉冲星信号的周期。

优选的，h_Origin为0.02个相位。

本发明具有以下有益效果：

(1)同网格搜索法相比，本发明通过分单峰区间，在各单峰区间求似然函数最值的策略，有效地降低了计算量，节省计算成本，提高航天器导航反应速度。

DUT求解方法的计算复杂度取决于似然函数的计算次数和计算复杂度。考虑到似然函数的计算复杂度取决于航天器接收到的光子个数，可以在给定航天器接收光子数的前提下，通过比较不同求解方法计算似然函数的次数来概略比较方法的计算复杂度。

若要求搜索相位的精度为0.0001个相位，通过网格搜索法求解，需要计算10000次似然函数。利用本发明的方法，令h_Origin为0.02个相位，步骤A-B最多需要计算100次似然函数，步骤C-D最多需要计算200次似然函数。