X射線導(dǎo)航通信一體化技術(shù)研究.pdf

1、隨著空間探測(cè)的持續(xù)發(fā)展和深入，深空探測(cè)任務(wù)正從以前的短期、粗略探測(cè)轉(zhuǎn)向以長(zhǎng)時(shí)間、高分辨率、自主性強(qiáng)、多平臺(tái)合作為特點(diǎn)的探測(cè)，這無(wú)疑對(duì)未來(lái)深空導(dǎo)航和通信提出了更高的要求。在資源稀缺的深空環(huán)境下，為應(yīng)對(duì)深空探測(cè)對(duì)導(dǎo)航和通信持續(xù)增長(zhǎng)的需求，導(dǎo)航通信一體化成為一種趨勢(shì)。X射線脈沖星導(dǎo)航(X-rayPulsar-based NAVigation，XPNAV)和X射線通信(X-ray Communication，XCOM)是新興的深空導(dǎo)航和通信方法

2、，兩種技術(shù)均顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿?。XCOM和XPNAV在信號(hào)、探測(cè)設(shè)備及功能等多個(gè)方面存在著相似性和緊密聯(lián)系，為兩種技術(shù)的融合提供了可能，即X射線導(dǎo)航通信一體化。X射線導(dǎo)航通信一體化以XCOM和XPNAV為基礎(chǔ)，通過(guò)兩種技術(shù)及其相關(guān)衍生技術(shù)的融合、互補(bǔ)和增強(qiáng)，在資源和技術(shù)稀缺的深空條件下為深空探測(cè)提供高性能的導(dǎo)航和通信服務(wù)。X射線導(dǎo)航通信一體化是導(dǎo)航通信一體化的重要組成部分和發(fā)展方向，它為應(yīng)對(duì)快速增長(zhǎng)的深空導(dǎo)航和通信需求提供了一種潛在的

3、解決方案。本文以X射線導(dǎo)航通信一體化的關(guān)鍵技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，圍繞XCOM和XPNAV的相關(guān)衍生技術(shù)及技術(shù)間的功能聯(lián)系和互補(bǔ)展開(kāi)研究和論述，主要內(nèi)容包括:
　　1.距離是深空導(dǎo)航的基本要素之一，精確的距離信息能夠作為輔助觀測(cè)量用于提高XPNAV的性能。為此，提出了基于XCOM的X射線圓偏振測(cè)距方法。所提方法以XCOM的原理為基礎(chǔ)，采用圓偏振調(diào)制方法對(duì)X射線信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，利用圓偏振狀態(tài)傳輸測(cè)距信息實(shí)現(xiàn)深空遠(yuǎn)距離測(cè)距。論文首先利用Strok

4、es矢量表示圓偏振狀態(tài)對(duì)測(cè)距信號(hào)進(jìn)行建模，并基于建立的信號(hào)模型對(duì)所提X射線距方法的信號(hào)處理流程進(jìn)行了詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上，理論和仿真分析了多普勒效應(yīng)、信號(hào)差分檢測(cè)誤差及信號(hào)相關(guān)誤差等因素對(duì)所提測(cè)距方法性能的影響，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提方法能夠獲得高精度的距離測(cè)量結(jié)果。
　　2.深空探測(cè)任務(wù)遠(yuǎn)離地球，且其所處空間環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致深空鏈路的可用性較低。為在鏈路可用性有限的條件下提高其利用效率，提出了基于XCOM的X射線通信測(cè)距一體化方

5、法。所提方法以XCOM的通信功能為基礎(chǔ)，結(jié)合X射線測(cè)距技術(shù)，在同一鏈路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)基于X射線的遠(yuǎn)距離通信和測(cè)距功能。該方法不僅提高了鏈路效率，更重要的是其體現(xiàn)的技術(shù)融合的思想為X射線導(dǎo)航通信一體化的實(shí)現(xiàn)提供了參考。論文設(shè)計(jì)了X射線通信測(cè)距一體化方法的信號(hào)結(jié)構(gòu)，并詳細(xì)分析了其信號(hào)處理流程。此外，還提出了評(píng)估X射線通信測(cè)距一體化性能的相關(guān)參數(shù)，包括數(shù)據(jù)傳輸速率、通信誤碼率、測(cè)距誤差及抖動(dòng)等，并進(jìn)行了理論和仿真分析。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的

6、可行性，另外，仿真結(jié)果還表明，所提方法的性能，如信號(hào)捕獲性能、誤碼率、測(cè)距抖動(dòng)等，主要受一體化信號(hào)的信噪比影響。
　　3.XPNAV是利用脈沖星輻射的周期性脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航的新型天文導(dǎo)航方法，是X射線導(dǎo)航通信一體化的重要組成部分。目前，受多種因素影響，XPNAV的定位精度難以進(jìn)一步提高，限制了其后續(xù)的發(fā)展和應(yīng)用。為此，提出了利用XCOM輔助增強(qiáng)XPNAV的方法，該方法利用XCOM的衍生技術(shù)——X射線測(cè)距提供的高精度距離測(cè)量信息

7、作為XPNAV的輔助觀測(cè)量，結(jié)合XPNAV的脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器位置和速度的估計(jì)。論文構(gòu)造了脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)和X射線測(cè)距的觀測(cè)模型，結(jié)合航天器軌道動(dòng)力學(xué)模型，利用Kalman濾波實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器狀態(tài)的估計(jì)。在此基礎(chǔ)上，利用仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)脈沖星觀測(cè)時(shí)間、測(cè)距信號(hào)信噪比及航天器運(yùn)動(dòng)軌道等多種因素對(duì)所提增強(qiáng)算法性能的影響進(jìn)行了分析。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的XPNAV方法，基于XCOM的XPNAV增強(qiáng)算法能夠有效提高XPNAV的定位精度。<

8、br>　　4.時(shí)間是深空探測(cè)中的基礎(chǔ)性參數(shù)，是深空導(dǎo)航和通信的生命線。為了為X射線導(dǎo)航通信一體化提供精確的時(shí)間服務(wù)，提出了利用脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)實(shí)現(xiàn)深空自主守時(shí)的方法，該方法的原理來(lái)源于XPNAV，通過(guò)對(duì)脈沖星輻射信號(hào)的計(jì)時(shí)觀測(cè)修正時(shí)鐘誤差，實(shí)現(xiàn)自主守時(shí)。論文首先采用有色噪聲模型對(duì)脈沖星計(jì)時(shí)觀測(cè)的計(jì)時(shí)噪聲進(jìn)行建模，構(gòu)造了計(jì)時(shí)觀測(cè)模型?；谟?jì)時(shí)觀測(cè)模型和時(shí)鐘演化模型，采用Kalman濾波方法估計(jì)時(shí)鐘狀態(tài)。最后，利用仿真實(shí)驗(yàn)分析了所提守時(shí)方法的