[发明专利]一种脉冲星频率参数的快速搜索方法

说明书

本发明提供一种脉冲星频率参数的快速搜索方法，具体为一种应用于星载探测器接收脉冲星信号的频率参数快速搜索方法，包括三大步骤：确定频率参数搜索的指标函数；应用动态缩减交叉熵方法进行脉冲信号频率参数大范围粗搜索，得到精确的搜索样本空间；利用小规模差分进化方法在精确样本空间中完成频率参数的快速迭代精化计算。该方案实现快速、准确的脉冲星实测信号频率参数估计，以完成实时在轨的动态信号处理过程，得到精确的脉冲信号频率及频率一阶导数的估计值。

技术领域

本发明涉及航天航空技术领域，具体涉及一种脉冲星频率参数的快速搜索方法。

背景技术

X射线脉冲星导航目前已步入空间演示验证阶段，为满足脉冲星导航的实际工程应用需求，适用于在轨航天器的信号处理技术正成为研究的重点。

X射线脉冲星信号流量极弱，实际利用X射线脉冲星导航过程中，航天器需要在轨持续观测脉冲星以累积足够处理的光子，而航天器轨道运动导致的多普勒效应会使探测器接收到的脉冲星信号频率发生频移。对于动态信号处理技术，即利用预估轨道信息，其观测时间内航天器的位置信息通过轨道动力学模型外推获得，会引入模型的截断误差，且系统存在的轨道初始误差等也会被放大。若不对接收到包含轨道动态的光子TOA序列进行频率参数搜索，直接利用查询得到的频率参数信息进行轮廓折叠则会造成光子相位解算误差，导致光子发生相位偏移，后续周期的光子无法对齐，折叠轮廓发生畸变，进而影响脉冲TOA估计精度。因此，充分考虑航天器轨道动态的快速、高精度脉冲星频率参数搜索方法具有重要的实际应用价值。

脉冲星频率(周期)搜索方法可分为频域搜索方法及时域搜索方法两大类。由于光子TOA数据是非等间隔的离散序列，频域搜索方法多采用重采样或等间隔插值等近似处理方法，“频谱泄露”等问题会致使频率搜索精度较差，且经实测数据处理表明，大部分频域搜索方法的处理结果与实际情况差异明显；时域搜索方法一般具有较高精度，能够满足高精度的频率估计，但需求较大的搜索范围会影响计算效率，搜索过程指标函数的强噪声，多极值等问题也会影响频率的搜索精度。

现有技术中的搜索方法存在以下问题：(1)现有频率(周期)搜索方法大多未考虑航天器实际轨道动态或使用模拟轨道动态的仿真数据进行检验，但经实测数据处理表明，大部分频域搜索方法的处理结果与实际情况差异明显，估计精度差，计算量巨大；(2)现有频率(周期)搜索方法多仅对接收脉冲星信号的频率(周期)进行搜索，没有考虑航天器轨道动态对频率一阶导数造成的影响，导致误差吸收效果较差，处理的高精度与计算效率无法兼顾；(3)传统网格式二维搜索算法计算效率极差，且指标函数值分布杂乱，存在大量不同位置的局部取值高峰，是复杂的多极值优化问题，搜索过程中会比较容易陷入局部最优情况；(4)部分方法通过分批处理光子数据以实现降低计算量的频率(周期)搜索方法，由于每次使用的光子信息较少会使结果更容易收敛到局部最优，鲁棒性较差。

发明内容

本发明目的在于应用于星载探测器接收脉冲星信号的频率参数的快速搜索方法，实现快速、准确的脉冲星实测信号频率参数估计，以完成实时在轨的动态信号处理过程，得到精确的脉冲信号频率及频率一阶导数的估计值，具体技术方案如下：

一种脉冲星频率参数的快速搜索方法，包括以下步骤：

步骤一、确定频率参数搜索的指标函数如表达式7)：

其中：χ²为卡方检验值；k是轮廓折叠的Bin数，即封装段数；c_i是第i个封装段内的光子总数，N_p为脉冲星周期总数，T_i为第i个封装段的中间时刻，c_j(T_i)为第j个周期折合入第i个封装段的光子数；为封装段的平均光子数N为总光子数，

继而获得脉冲信号频率及频率一阶导数的估计值如表达式8)：