单X射线脉冲星导航观星序列选择方法技术

本发明专利技术提供了一种基于可观性分析的单X射线脉冲星导航观星序列选择方法，去除在航天器导航过程中会发生周期跃变的脉冲星、导航过程中会被天体遮挡的脉冲星、在太阳遮蔽角内的脉冲星后，选择使特定的指标函数达到最大值的脉冲星序列。本发明专利技术提出的方法原理简单，可操作性强，易推广和使用，大大提高了单X射线脉冲星导航的可靠性和稳定性，为其推广提供了条件。

【技术实现步骤摘要】
单X射线脉冲星导航观星序列选择方法
本专利技术涉及导航方法领域，特别地，涉及一种用于X射线脉冲星导航的观星序列选择方法，适用于不同飞行任务的单X射线脉冲星导航任务。
技术介绍
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（GlobalPositioningSystem）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。单X射线脉冲星导航方法仅要求航天器搭载一颗探测器，可大幅降低X射线脉冲星导航系统的体积和功耗。为了保证导航性能，单X射线脉冲星导航系统要求航天器分时段观测不同的脉冲星。因此，观星序列的选择会直接影响单X射线脉冲星导航系统的性能。为了选择最佳的导航脉冲星，就必须提出相应的指标函数。论文“毛悦,宋小勇,柴飞,脉冲星TOA测量误差及几何精度分析[J],测绘科学技术学报,2009,26(2):140-143.”和“褚永辉,王大轶,黄翔宇,脉冲星导航中最优脉冲星组合选取方法[J],中国空间科学技术,2011,5:64-69.”均提出了各自的选星指标函数。这两种指标函数借鉴了GPS导航中的GDOP概念，但仅考虑了脉冲星自身的几何分布和相应的脉冲到达时间测量精度的影响。申请号为201110095075.9的专利提出了一种综合考虑脉冲星星表位置误差、几何分布、脉冲星到达时间测量精度的选星策略。申请号为201310117103.1的专利提出了一种基于Fisher信息阵的脉冲星导航选星方法。这两份专利提出的方法也仅考虑了脉冲星自身特征对导航精度的影响。然而，单X射线脉冲星导航系统必须通过滤波技术融合航天器轨道动力学信息和单X射线脉冲星测量信息才能实现导航定位。在该种情况下，若仅考虑脉冲星自身特征的影响而忽略航天器轨道的影响，难以准确选择最佳的导航脉冲星。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：为了提高单X射线脉冲星导航系统的性能，本专利综合考虑航天器轨道信息和脉冲星特征信息，提出一套可行的单X射线脉冲星导航观星序列选择方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种基于可观性分析的单X射线脉冲星导航观星序列选择方法，步骤为：（1）根据天文观测数据，去除在航天器导航过程中会发生周期跃变的脉冲星；（2）去除在导航过程中会被天体遮挡的脉冲星；（3）分析航天器和太阳连线与航天器和脉冲星连线的夹角（即太阳遮蔽角），根据航天器的热控系统要求，去除在太阳遮蔽角内的脉冲星；（4）在通过了（1）-（3）步筛选的脉冲星中，利用下式计算每颗脉冲星的脉冲到达时间的估计精度：其中，T50是X射线脉冲信号半流量密度持续时间；Tb是探测器时间分辨率；λp和λn分别是脉冲信号和背景噪声的平均流量密度，A是探测器有效面积，Δt是观测持续时间；（5）在通过了（1）-（3）步筛选的脉冲星中，选择使如下的指标函数达到最大值的脉冲星序列。在式(2)中，σTOA,i是第i颗观测的脉冲星的脉冲到达时间估计精度，Φk+1,k为航天器从k时刻到k+1时刻的状态转移矩阵，Hi为第i颗脉冲星的观测矩阵，tr(·)表示对矩阵的迹函数。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：（1）本专利技术提出的单X射线脉冲星导航观星序列选择方法综合考虑了航天器轨道信息和脉冲星自身特征信息对导航性能的影响。由式（2）可知，航天器轨道的影响，可通过Φk+1,k的变化来反映。脉冲星的自身特征信息的影响可通过σTOA,i和Hi的变化来反映。现有的选星方法均仅考虑了脉冲星自身特征的影响。然而，在论文“王奕迪.深空探测中的X射线脉冲星导航方法研究[D].国防科学技术大学,2011.”中，专利技术人充分论证了如下结论：在观测同一组脉冲星的情况下，航天器处于不同高度的轨道，单X射线脉冲星导航系统的导航性能不相同。因此，对单X射线脉冲星导航系统而言，若仅考虑脉冲星自身特征影响难以选择到合适的导航脉冲星。而本专利技术提出的观星序列选择方法，可综合考虑航天器轨道信息和脉冲星自身特征信息的影响，更为贴切地衡量脉冲星导航的性能，可为事先选择单X射线脉冲星导航的观星序列提供理论指导。在相同的条件下，提高滤波收敛速度，提高导航精度。（2）本专利技术提出的方法可操作性强，易推广和使用，大大提高了单X射线脉冲星导航的可靠性和稳定性，为其推广提供了条件。附图说明图1是本专利技术具体应用实例的流程示意图。图2是本专利技术具体应用实例中天体对X射线脉冲星的可用性影响示意图。图3是本专利技术具体应用实例中太阳规避角对X射线脉冲星的可用性影响示意图。图4是本专利技术具体应用实例中的选星与不选星的导航结果对比图。其中，1、地球，2、阴影区，3、脉冲星，4、太阳，5、地球卫星，6、轨道。具体实施方式以下将结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。在具体应用实例中，所采用的航天器为一种地球卫星。如图1所示，本专利技术选星方法的具体步骤如下：（1）根据天文观测数据，去除在航天器导航过程中会发生周期跃变的脉冲星。虽然X射线脉冲星自转周期的长期稳定性可媲美当前的原子钟。但一些“年轻”脉冲星的自转周期存在不规则的变化。当脉冲星发生周期跃变，该脉冲性提供的测量信息不可靠。因此，首先需要基于天文观测数据预报脉冲星信号的稳定性，去除航天器运行期间导航星数据库中可能发生周期跃变的X射线脉冲星。例如，天文台存有大量Ｘ射线脉冲星观测数据且定期发布处理结果，可以通过天文台官方网站查询导航Ｘ射线脉冲星数据库中正在或者在短期内可能发生周期跃变的X射线脉冲星，在导航过程中对这些脉冲星不予使用。（2）去除在导航过程中会被天体遮挡的脉冲星。尽管X射线脉冲星距离太阳系非常遥远，但是当航天器进入某天体的阴影区内时，即任何经过航天器与X射线脉冲星之间的天体都会阻挡航天器探测器对X射线脉冲星的可见性。要根据航天器的飞行任务轨道预报脉冲星的可用性，即考虑星体遮挡的影响，根据航天器的飞行任务轨道预报脉冲星的可用性，去除不能使用的脉冲星。如图2所示，当卫星进入地球阴影区内时，地球会阻挡Ｘ射线探测器接收X射线脉冲星信号。图中角度α为航天器相对于地球的位置矢量r和X射线脉冲星的方向n之间的夹角，地球半径为R，当α1＜α＜α2时，航天器位于地球的阴影中，此时该脉冲星不可用，航天器位于遮挡天体阴影处时要满足：（3）分析航天器和太阳连线与航天器和脉冲星连线的夹角，根据航天器的热控系统要求，去除在太阳遮蔽角内的脉冲星。根据航天器的热控需求，会规定不同给的太阳规避角。航天器不会接收到在太阳规避角中的脉冲星信号。图2给出了太阳规避角和脉冲星、太阳、航天器之间的关系。其中，β为太阳和航天器的连线与脉冲星和航天器连线的夹角，可由式(4)计算。若β小于规定的太阳规避角，则该颗脉冲星不可用。β＝arccos(n·RSun/sc)(4)在式(4)中，RSun/sc为太阳相对于航天器的方向矢量。（4）在通过了（1）-（3）步筛选的脉冲星中，计算每颗脉冲星的脉冲到达时间估计精度。探测器测量到的光子到达事件是服从泊松分布本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单X射线脉冲星导航观星序列选择方法，其特征在于，包括以下步骤： A、根据天文观测数据，去除在航天器导航过程中会发生周期跃变的脉冲星； B、去除在导航过程中会被天体遮挡的脉冲星； C、分析航天器和太阳连线与航天器和脉冲星连线的夹角，根据航天器的热控系统要求，去除在太阳遮蔽角内的脉冲星； D、在通过了A‑C步筛选的脉冲星中，利用下式计算每颗脉冲星的脉冲到达时间的估计精度： 其中，T50是X射线脉冲信号半流量密度持续时间；Tb是探测器时间分辨率；λp和λn分别是脉冲信号和背景噪声的平均流量密度，A是探测器有效面积，Δt是观测持续时间； E、在通过了A‑C步筛选的脉冲星中，选择使如下的指标函数达到最大值的脉冲星序列； 在式Ⅱ中，σTOA,i是第i颗观测的脉冲星的脉冲到达时间估计精度，Φk+1,k为航天器从k时刻到k+1时刻的状态转移矩阵，Hi为第i颗脉冲星的观测矩阵，tr(·)表示对矩阵的迹函数。

【技术特征摘要】
1.一种单X射线脉冲星导航观星序列选择方法，其特征在于，包括以下步骤：A、根据天文观测数据，去除在航天器导航过程中会发生周期跃变的脉冲星；B、去除在导航过程中会被天体遮挡的脉冲星；C、分析航天器和太阳连线与航天器和脉冲星连线的夹角，根据航天器的热控系统要求，去除在太阳遮蔽角内的脉冲星；D、在通过了A-C步筛选的脉冲星中，利用下式计算每颗脉冲星的脉冲到达时间的估计精度：其中，T50是X射线脉冲信号半流量密度持续时间；Tb是探测器时间分辨率；λp和λn分别是脉冲信号和背景噪声的平均流量密度，A是探测器有效面积，Δt是观测持续时间；E、在通过了A-C步筛选的脉冲星中，选择使如下的指标函数达到最大值的脉冲星序列；在式II...

【专利技术属性】
技术研发人员：王奕迪，郑伟，汤国建，张大鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43