[发明专利]一种基于脉冲星观测的航天器定速方法

说明书

本发明提供一种基于脉冲星观测的航天器定速方法，包括脉冲星观测数据及相关参数的获取、脉冲星动态信号处理及导航测量值解算、测量值相应方程系数解算以及联立求解方程组四大步骤。本发明通过基于航天器预估轨道的脉冲星动态信号处理过程恢复获得脉冲星的在轨观测轮廓及修正观测轮廓，通过对比这两种轮廓得到轮廓畸变相位差，并利用状态转移矩阵数值积分即可快速解算航天器的速度测量值。本发明无须提前构建脉冲星轮廓模板，实现简单，可全程嵌入航天器的在轨脉冲星动态信号处理及导航过程中，方法测速精度仅与脉冲星信号处理结果的精度相关，理论上可以实现高精度的航天器在轨定速。

技术领域

本发明涉及航天器导航技术领域，具体涉及一种基于脉冲星观测的航天器定速方法。

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，其原理为通过对比航天器处与SSB处的信号相位差来提取相应的导航测量值。但SSB处的脉冲星轮廓模板精度需求极高，需要长时间持续脉冲星观测数据的累积(一般情况下需要2到3天左右的累积观测数据)，在实际应用于导航中会存在一定的空窗期。因此，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实时信号处理及导航技术正成为研究的重点。

脉冲星信号处理的过程主要包括光子数据质心修正、轮廓恢复、相位差估计及导航测量值解算等步骤。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，在考虑航天器轨道运动的情况下，多普勒频移连续变化且无法获取航天器的精确位置及速度信息，导致导航测量值求解困难。对此，提出了利用预估轨道信息的动态信号处理技术，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，利用改进的相位传播模型，结合历元折叠和最大似然估计等方法即可实现导航测量值的解算。

在脉冲星的信号处理过程中引入航天器预估轨道对光子数据进行修正可以消除光子到达时间序列中因航天器轨道动态而造成的时间偏移，但航天器预估轨道与实际轨道间存在一定的偏差。其中，位置偏差部分在传播过程中形成了航天器处与SSB处的信号相位偏差；速度偏差部分则在传播过程中造成了脉冲星信号频率的变化，因此会导致直接利用固有频率恢复的脉冲星观测轮廓发生一定的畸变，造成与进行周期搜索之后恢复的修正观测轮廓之间存在一个轮廓畸变相位差，即可将速度偏差对脉冲星信号频率变化的影响转换到了这一相位偏差之中。

直接利用脉冲星的观测数据进行航天器定速是一个十分具有挑战性的问题。目前，传统的航天器定速方法多以测量多普勒频移为原理，如通过观测脉冲星信号的多普勒频移(测量脉冲星脉冲信号频率的变化量)来实现速度测量。这些通过计算天文光谱的多普勒频移的方法，仅能获得航天器在相应天体方向上的速度分量，同时这些方法均会受到光谱分辨率、强度及稳定性、时空传播过程等诸多影响，制约其测速精度的因素极多，且计算过程复杂。其它的如激光、红外测速等方法不仅实现条件较苛刻，且在脉冲星导航体系下航天器还需搭载额外的辅助设备，也会一定程度上增加航天器的载荷负担。为了使基于脉冲星观测的导航方法更加实用，需要对针对上述问题对传统方法进行改进。

为解决利用航天器观测数据直接测速的方法问题，有如下技术方案被提出：

专利申请号为CN201410210854.2的发明专利提出一种多普勒差分测速模型及与X射线脉冲星组合导航的方法，该方法需要在深空探测器上搭载两个光谱仪，利用天体光谱差分测速，具体包括以下步骤：(1)建立深空探测器的轨道动力学模型；(2)建立X射线脉冲星导航测距模型；(3)建立多普勒差分测速模型；(4)利用扩展卡尔曼滤波器滤波。其中，与脉冲星/多普勒组合导航方法相比，该发明在不稳定的太阳光谱下仍能正常稳定工作；与脉冲星导航方法和多普勒导航方法相比，该发明充分利用了多种导航信息，具有完全可观测性，能提供更高精度的定位信息。