深空探测中的X射线脉冲星导航方法研究

论文摘要

深空探测是21世纪航天活动的热点。自主导航技术作为深空探测的关键技术之一,直接影响深空探测任务能否成功实施,同时能够降低航天器对地面支持系统的依赖,增强深空探测航天器的应用潜力。本文从X射线脉冲星导航的基本原理出发,结合深空探测航天器对自主导航的要求,深入研究了深空探测中的X射线脉冲星导航方法。论文的主要研究内容包括:(1)研究了X射线脉冲星导航的基本原理和算法。研究了X射线脉冲星导航所需的时空基准;基于X射线脉冲星导航的观测量获取方法,结合深空探测在不同阶段的动力学模型,建立了基于X射线脉冲星的深空探测导航系统;给出了X射线脉冲星守时模型。(2)提出基于单探测器的X射线脉冲星导航算法。从航天器的轨道特性出发,结合脉冲星观测方程的特点,建立了基于单探测器的X射线脉冲星导航定位观测模型、基于单探测器的同步定位/守时观测模型;对两个新建立的导航系统进行可观性和可观度分析,探求影响导航精度的因素;采用仿真方法验证了导航算法的性能。(3)研究了基于X射线脉冲星的平动点编队导航方法。建立了限制性三体问题下的绝对导航和相对导航动力学模型;研究了利用X射线脉冲星进行相对导航的基本测量原理;给出了利用传统的导航算法和单探测器算法的绝对导航结果,并分析了影响导航精度的因素;给出了相对导航的仿真结果,验证了相对导航算法的可行性。(4)搭建了X射线脉冲星导航全数字仿真平台。以X射线脉冲星导航的物理背景为依据,将X射线脉冲星导航系统进行模块化划分,确定每个节点所需实现的功能;然后,对每个节点继续进行模块化划分,分块实现各子模块的功能,从而保证整个仿真平台的功能实现;最后,利用特定轨道的导航任务来验证仿真平台的有效性,设计的正确性。本文的研究为X射线脉冲星导航与深空探测结合奠定了一定的理论基础,X射线脉冲星导航工程应用提供了技术支撑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 深空探测对航天器自主导航的需求
• 1.2 深空探测自主导航研究现状
• 1.3 X 射线脉冲星导航研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 X 射线脉冲星导航基本原理
• 2.1 脉冲星基本特征
• 2.2 X 射线脉冲星导航的时空基准
• 2.2.1 坐标系统
• 2.2.2 时间系统
• 2.2.3 脉冲星时间相位模型
• 2.2.4 脉冲星时间转换模型
• 2.3 X 射线脉冲星自主导航算法
• 2.3.1 X 射线脉冲星导航定位系统的动力学模型
• 2.3.2 X 射线脉冲星导航定位系统的观测方程
• 2.3.3 X 射线脉冲星导航守时模型
• 2.3.4 X 射线脉冲星导航滤波算法
• 2.4 小结
• 第三章 基于单探测器的X 射线脉冲星导航算法
• 3.1 导航系统动力学模型
• 3.1.1 导航定位动力学模型
• 3.1.2 同步定位/守时动力学模型
• 3.2 基于单探测器的X 射线脉冲星导航观测模型
• 3.2.1 基于单探测器的X 射线脉冲星定位观测模型
• 3.2.2 基于单探测器的X 射线脉冲星同步定位/守时观测模型
• 3.3 基于单探测器的X 射线脉冲星导航系统可观性分析
• 3.3.1 基于线性化的可观性分析方法
• 3.3.2 基于单探测器的X 射线脉冲星导航系统可观性证明
• 3.4 基于单探测器的X 射线脉冲星导航系统可观度分析
• 3.4.1 条件数与线性系统可观度
• 3.4.2 基于单探测器的X 射线脉冲星导航系统可观度研究
• 3.5 仿真分析与结果讨论
• 3.5.1 基于单探测器的X 射线脉冲星导航定位系统仿真
• 3.5.2 基于单探测器的X 射线脉冲星同步定位/守时系统仿真
• 3.5.3 分时段观测的脉冲星个数对导航结果的影响
• 3.5.4 脉冲星与航天器的几何构型对导航结果的影响
• 3.5.5 脉冲星星表位置误差和观测时间对导航结果的影响
• 3.6 小结
• 第四章 基于X 射线脉冲星的平动点编队导航方法
• 4.1 平动点轨道动力学模型
• 4.1.1 限制性三体动力学模型
• 4.1.2 限制性三体动力学环境中的相对运动动力学模型
• 4.2 基于X 射线脉冲星的相对导航原理
• 4.3 仿真分析与结果讨论
• 4.3.1 绝对导航算法的仿真
• 4.3.2 相对导航算法的仿真
• 4.4 小结
• 第五章 X 射线脉冲星导航全数字仿真平台设计
• 5.1 仿真平台总体设计
• 5.1.1 仿真平台物理构成
• 5.1.2 各节点数据流程设计
• 5.1.3 仿真平台模块划分
• 5.2 仿真节点设计
• 5.2.1 仿真模块接口设计
• 5.2.2 仿真节点模块化设计
• 5.3 仿真平台性能验证
• 5.4 小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果