基于X射线脉冲星的定时与自主定位理论研究

论文摘要

脉冲星是一类具有超核密度、强引力场、强电磁场的快速自转的中子星,被广泛用于天体演化、引力波探测等前沿课题的研究。其最重要的观测特征是在射电、红外、可见光、紫外、χ射线和γ射线频段具有极其稳定的周期性脉冲辐射,辐射信号的长期稳定度可与原子钟相当,用于精确定时和导航的潜力巨大。相比于卫星导航系统和地基探测网的昂贵维护成本,有限作用区域,脆弱抗击毁能力,脉冲星可为近地空间、深空领域的人造卫星、飞船、探测器等提供时间、姿态、位置和速度信息,有望实现自主、安全、高精度、高性价比的三维导航服务,这不仅具有重大军事意义,也适合人类深空探测的导航需求。相对于射电脉冲星,以X射线脉冲星作为导航源有助于探测器的小型化和信号检测。因此,近几年来,基于X射线脉冲星的导航技术引起了各国的极大关注。然而,该新型技术目前仍处于理论探索和可行性验证阶段,系统的真正实现尚面临众多挑战,尤其在国内,实质性的研究工作才刚刚起步。基于此,本论文从利用X射线脉冲星信号实现航天器定位功能的过程和系统框架着眼,涉及以下紧密联系、不可分割的几个方面：X射线探测器选择以及X射线光子探测、到达时间（TOA）测量、星源信息库建立、空间光行时方程求解、导航算法实现等,对其中的一些关键技术进行了理论分析和仿真,对所需的数学原理进行了必要的探索和推导。由于高精度的脉冲到达时刻信息是脉冲星导航的基础,因此,本文重点研究信号的TOA估计与其定时性能分析,以及可行的定位算法。论文的研究工作主要包含以下几方面：1、从深空探测需求、卫星导航的局限性、天文导航的优势出发,讨论了研究脉冲导航技术的必要性,分析了脉冲星导航的特点和优势,特别展望了脉冲星导航在行星际自主编队航天器设计中的应用前景,总结了国内外研究现状,简述了该技术目前面临的若干难题。2、比较了多种x射线探测器的性能,并参考了各国X射线观测卫星上使用的探测设备,提出以硅微条探测器和量热器作为探测器原型用于X射线脉冲星导航的观点,并据此设想了一个包含有编码盘、准直器等辅助设备的综合探测器系统,探讨了在空间核辐射环境下,探测器微电子器件的防护问题。该部分工作对探测器的选择和复合探测器的设计具有一定的参考价值。3、从X射线脉冲星导航的需求和特殊性出发,提出了应纳入星载数据库框架的脉冲星特征参数,包括位置、距离、流量、周期、有效脉冲比、脉冲轮廓等,并对上百颗X射线脉冲星的流量、周期变化率等特征进行统计分析,探讨了毫秒级X射线脉冲星在导航中的优势,依据周期变化率参数推荐了性能较好的15颗X射线脉冲星,为数据库的构建打下了一定基础。4、提出了基于非齐次泊松模型的X射线脉冲TOA的最大似然估计,给出了其低信噪比下的近似表达,并利用B1921-24和Crab两颗脉冲星,分别在不同观测时间和不同信噪比的条件下进行了仿真,验证了该方法的可行性和有效性。另外,系统探讨了基于脉冲轮廓特征的TOA精度分析,并利用拟合的具有解析形式的高斯脉冲、双高斯脉冲、指数型脉冲等进行了对比研究。理论分析和仿真结果表明,在相同的流量和占空比假设下,不同的形状特征得到的TOA估计性能不同。为了精确化距离估计误差,作者认为为每颗脉冲星建立解析的轮廓模板有一定意义。5、基于二阶循环平稳过程,提出了一种称为最大相关方差搜索法的射电脉冲星周期估计方法,若不考虑探测器的光子接收过程,该方法完全可推广到X射线脉冲星的周期估计。分析和仿真表明,新方法运算速度快,对数据量要求不高,效果明显,对于微弱脉冲星信号的实时周期估计具有参考价值。同时,提出了一种标准轮廓生成的新方法,不需要事先设计模板脉冲,在低信噪比以及累积脉冲个数较少的情况下,可以得到高品质的标准脉冲轮廓。6、深入讨论了脉冲星信号的时间测量步骤,推导了观测时间向太阳系质心传递的高阶广义相对论修正模型,修正项包含Roemer延迟、Shapiro延迟效应等。在特定空间点,数值分析了简化模型中各项时延的贡献。7、发展了一种基于定时模型的位置误差修正迭代法,给出了线性化形式,并对误差源进行了讨论。另外,改进了绝对定位中的一种模糊度解析方法,假设已知航天器的粗略位置信息和足够稳定的星钟时间,通过4颗并逐步加入更多的大周期脉冲星求解相位观测方程,利用定时或定位精度作为阈值,可由最大似然法估计出一个最可能的整周数取值集合。定位仿真结果表明了算法的可行性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 人类的太空探测需求
• 1.1.2 卫星导航的局限性
• 1.1.3 自主导航技术与天文导航
• 1.1.4 脉冲星导航的特点与优势
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 脉冲星导航研究进展
• 1.2.2 相关领域研究
• 1.2.3 我国已有的研究基础
• 1.3 目前面临的若干难题
• 1.4 主要研究工作
• 2 探测器的选择与概念设计
• 2.1 X射线探测器的性能比较
• 2.1.1 正比计数器
• 2.1.2 半导体探测器
• 2.1.3 CCD半导体探测器
• 2.1.4 硅微条探测器
• 2.1.5 微通道板
• 2.1.6 闪烁探测器
• 2.1.7 量热器
• 2.1.8 负电子亲和探测器
• 2.2 探测器选择与综合系统的概念设计
• 2.3 微电子器件的核辐射防护
• 2.4 本章小结
• 3 脉冲星特征参数及数据库建立
• 3.1 中子星与脉冲星
• 3.2 X射线脉冲星
• 3.2.1 Rotation-Powered脉冲星
• 3.2.2 Accretion-Powered脉冲星
• 3.2.3 毫秒脉冲星
• 3.3 脉冲星数据库以及特征参数
• 3.3.1 X射线源编目
• 3.3.2 X射线脉冲星的特征参数
• 3.3.3 特征分析
• 3.3.4 脉冲星的选择
• 3.4 本章小结
• 4 信号特征与TOA估计
• 4.1 定时预测模型
• 4.1.1 预测模型
• 4.1.2 定时稳定度
• 4.2 脉冲轮廓生成与TOA估计
• 4.2.1 光子探测和计时
• 4.2.2 创建观测轮廓
• 4.2.3 标准脉冲轮廓
• 4.2.4 脉冲TOA测量
• 4.2.5 仿真结果
• 4.3 最大似然TOA估计与仿真
• 4.3.1 Poisson模型
• 4.3.2 最大似然估计
• 4.3.3 低信噪比下的似然估计
• 4.3.4 基于脉冲轮廓特征的似然估计
• 4.4 脉冲星品质分析
• 4.5 一种射电脉冲星的周期估计新方法
• 4.5.1 射电脉冲星的信号模型
• 4.5.2 周期估计的最大相关方差搜索法
• 4.5.3 实验和性能分析
• 4.6 一种射电脉冲星的脉冲轮廓生成新方法
• 4.6.1 近似模板相关法
• 4.6.2 基于小波模极大值相关信息确定相对脉峰位置
• 4.6.3 系统噪声消除与脉冲平滑
• 4.6.4 应用实例
• 4.7 射电信号的消色散
• 4.8 本章小结
• 5 时间尺度转换与SSB时间传递
• 5.1 惯性参考架与时间尺度
• 5.1.1 太阳系质心参考架
• 5.1.2 时间尺度
• 5.2 固有时到坐标时的转换
• 5.3 观测TOA的SSB传递
• 5.3.1 一阶传递方程
• 5.3.2 高阶传递形式
• 5.3.3 传递方程的简化分析
• 5.4 关于定时观测方程的进一步讨论
• 5.5 本章小结
• 6 定位算法研究
• 6.1 系统组成概述
• 6.2 导航方法概述
• 6.2.1 定时
• 6.2.2 姿态确定
• 6.2.3 速度确定
• 6.2.4 定位
• 6.3 误差修正迭代法
• 6.3.1 算法描述
• 6.3.2 定位性能和误差源分析
• 6.4 绝对定位方法
• 6.4.1 定位模型
• 6.4.2 定位信息解算与定位精度
• 6.4.3 模糊度m的估计策略
• 6.4.4 模糊度的最大似然估计法
• 6.4.5 绝对定位仿真
• 6.5 动力学状态的Kalman滤波
• 6.5.1 动力学方程
• 6.5.2 量测模型
• 6.5.3 滤波结果
• 6.6 本章小结
• 7 工作总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 进一步展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表和收录的论文
• 攻读博士学位期间主持和参与的主要科研课题
• 成果与获奖情况