基于X射線脈沖星導航的信號分析與處理.pdf

1、如何實現(xiàn)深空探測器的完全自主導航是空間探測中的一個頭等難題。目前航天器的導航方式主要有天文導航，衛(wèi)星導航，慣性導航和地基導航。但都不能滿足深空探測的需要，X射線脈沖星導航的出現(xiàn)使得這一問題得到了解決。 X射線脈沖星信號分析和處理包括光子到達時刻轉(zhuǎn)換、脈沖輪廓構(gòu)建、信號頻率和相位估計，是本文的主要研究內(nèi)容。圍繞X射線脈沖星信號的分析和處理，還開展了信號模擬，相對論效應影響等問題的研究，主要研究內(nèi)容包括：
　　介紹X射線脈沖星導航的基

2、礎理論，包括脈沖星的基本特性，時空基準，定位原理和導航數(shù)據(jù)庫。介紹了脈沖星的基本概念及其分類，分布和輻射特性，說明了適合作為導航信源的脈沖星的特點。研究了X射線脈沖星導航中涉及到的相對論時空基準，包括相對論時空的基本描述方法，參考系的定義和實現(xiàn)，時間尺度的定義和轉(zhuǎn)換關系。介紹了X射線脈沖星導航的基本原理和相對論效應的影響。脈沖星導航數(shù)據(jù)庫的研究內(nèi)容包括導航脈沖星的選擇、脈沖相位模型的建立方法和脈沖輪廓的概念。
　　信號模擬為信號的

3、分析和處理提供 X射線脈沖星信號源。提出一種基于精確光子流量函數(shù)的純數(shù)值X射線脈沖星信號的模擬算法。首先建立了X射線脈沖星信號模型，然后利用分布函數(shù)導出了信號模擬算法，最后通過仿真檢驗模擬算法的有效性。模擬生成PSR B0531+21脈沖星的信號，并利用χ2擬合優(yōu)度檢驗驗證模擬算法生成的光子到達時刻服從泊松分布。將模擬的脈沖星信號進行歷元折疊獲得觀測脈沖輪廓，并將其與標準脈沖輪廓比較，發(fā)現(xiàn)隨著觀測時間的增長，觀測脈沖輪廓趨近于標準脈沖輪

4、廓，也驗證模擬算法是可行的。
　　探測器接收的脈沖星信號頻率存在多普勒頻移，必須利用頻率估計算法才能得到信號的頻率。本文采用樣本方差法進行頻率估計。對樣本方差法統(tǒng)計量的分析顯示，樣本方差關于搜索頻率的函數(shù)在真值附近是離散的凸函數(shù)，可以采用一維最優(yōu)化方法進行頻率搜索。使用黃金分割法的仿真結(jié)果表明，最優(yōu)化方法極大地減少了搜索次數(shù)，提高了搜索速度。針對多普勒頻移中頻率不恒定的問題，提出利用慣性導航系統(tǒng)轉(zhuǎn)化非恒定頻率為恒定頻率的方法，解決

5、了非恒定頻率的搜索問題。通過對頻率搜索精度與時間倉數(shù)目的仿真分析，發(fā)現(xiàn)搜索精度與時間倉數(shù)目的關系，并總結(jié)出經(jīng)驗公式，使得頻率估計算法在搜索精度和速度方面得到進一步的提高。
　　脈沖相位估計是X射線脈沖星定位的關鍵環(huán)節(jié)。總結(jié)了最小二乘法，互相關法和極大似然估計三種相位估計算法，并提出了一種改進的極大似然估計算法。推導了每種算法的方差計算公式，并分析比較了不同算法的精度和運算速度。分析結(jié)果表明，這幾種算法都是漸進無偏的，但最小二乘法和

6、互相關法不是最小方差無偏估計。極大似然估計雖然是最小方差無偏估計，但其計算量較大，提出的改進算法利用歷元折疊減少了計算量，并保持原有的精度。
　　分析了相對論效應對X射線脈沖星信號分析和處理的影響。給出了考慮相對論效應時的定位流程。分析了固有時到坐標時轉(zhuǎn)換對頻率估計精度的影響，和Parallax、Shapiro效應對相位差測量的影響。發(fā)現(xiàn)當航天器與太陽的距離足夠遠時，可以不進行時間轉(zhuǎn)換直接利用固有時估計頻率。
　　X射線脈沖