论文摘要
脉冲星是一种快速自转并具有强磁场的中子星，地球轨道卫星或深空探测器可以接收到周期性X射线信号，其周期稳定性可与铯原子钟相媲美。基于X射线脉冲星的空间定时、定位、定姿与导航系统可为近地轨道、地球同步轨道、大椭圆地球轨道、地月轨道及星际空间飞行的航天器提供精确的时间、位置、速度和姿态等导航信息；也可为北斗等卫星定位系统及其它空间卫星网络提供统一的时空基准；XPNAV（X-ray Pulsar-based Navigation）系统不需要辅助性卫星网络或雷达站，因此，在军事上具有极高的隐蔽性和自主生存能力。脉冲TDOA（TimeDifference of Arrival）测量是XPNAV系统的关键技术之一，其测量精度直接决定空间定位、定时精度。本文围绕XPNAV系统中脉冲TDOA测量的几个关键问题展开研究工作，论文所取得的主要进展如下：1.借鉴脉冲星射电信号的“硬”多通道消色散原理，利用IDFT（InverseDiscrete Fourier Transform）及频谱加窗技术推导色散前后的频谱关系式，提出了脉冲星射电信号消色散的“软”多通道算法。与Incoherent消色散算法相比，“软”多通道算法具有更好的灵活性，而与Coherent消色散算法相比，“软”多通道算法具有更强的实时性。2.分析了脉冲星辐射脉冲信号的双谱特征，表明脉冲星信号中含有大量非高斯成分和相位偶合分量，进而以特征向量间具有最大不相关性为目标，提出了基于一维选择线谱的脉冲星信号辨识算法，该算法采用特征核与特征域描述统计信号的共性及个性，定义特征矢量间的距离函数及类别可分离度函数，并抽取双谱图中具有最强类别可分离度的一维线谱特征向量构成特征模板。基于多颗脉冲星射电数据的辨识实验验证了该算法的有效性。3.提出了基于1（1/2）维谱的脉冲星微弱信号检测算法，该算法建立1（1/2）维谱窗，通过谱窗滑动对观测数据进行连续的1（1/2）维谱变换，并定义脉冲星辐射脉冲信号谱能量与噪声谱能量的比值作为脉冲星辐射脉冲出现的判据，最后分析了谱窗宽度及色散程度对检测性能的影响。利用多颗脉冲星的射电数据进行了微弱信号检测实验，结果表明脉冲星辐射脉冲的1（1/2）维谱明显异于同方向的背景噪声谱，基于1（1/2）维谱的脉冲星个别脉冲检测性能优于功率谱技术，且一定程度的色散对检测效果的影响较小。4.研究了地球轨道及星际轨道卫星原子时相对太阳系质心坐标时的转换算法，研究了观测点相对SSB（Solar System Barycenter）的转移算法，分析了Parallax效应及Sun-Shapiro延迟效应对TDOA测量精度的影响，分析了卫星的空间位置及位置估计误差对Parallax效应及Sun-Shapiro延迟效应的影响，提出了X射线脉冲星空间绝对定位的TDOA迭代测量算法，利用绝对定位中的卫星运行范围估计值计算Parallax及Sun-Shapiro初值，利用一阶Doppler定位公式解TDOA周期模糊，进而不断循环更新，最后，提出了TDOA迭代测量的航天器运动误差补偿方法。利用仿真实验检验了Parallax及Sun-Shapiro项的收敛性。5.为提高解TDOA周期模糊算法的实时性及工程实用性，基于正交原理建立了新的TDOA整周期数关系式，以脉冲星自身属性作为因子，以每次测量的TDOA值作为常数项；进而提出了解TDOA周期模糊的快速算法，分析了Doppler、Parallax及Sun-Shapiro项分别对整周期数关系式残差的影响，提出了空间搜索的检测门限设置方法。利用仿真实验检验了基于脉冲整周期数关系式的TDOA周期模糊求解算法及其检测门限的检测性能及虚警情况。实验结果表明，基于脉冲整周期数关系式的解TDOA周期模糊算法可以有效降低运算量，且可将TDOA整周期数关系式中的参数项固化入运算系统硬件或存储于处理器的存储单元中，便于工程实现。6.借鉴Taylor FFT算法，推导了脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟的双谱比对公式，提出了基于双谱的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量算法。实验结果表明，与基于Taylor FFT的脉冲星累积脉冲轮廓时间延迟测量相比，双谱算法可以有效抑制加性高斯白噪声对测量精度的影响。