一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102997922A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102997922A(43)申请公布日2013.03.27(21)申请号201210504542.3(22)申请日2012.11.30(71)申请人北京控制工程研究所地址100080北京市2729信箱(72)发明人王大轶熊凯褚永辉黄翔宇(74)专利代理机构中国航天科技专利中心11009代理人安丽(51)Int.Cl.G01C21/24(2006.01)权利要求书权利要求书2页2页说明书说明书66页页附图附图33页(54)发明名称一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法(57)摘要一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其基本流程为：首先，将通过航天器上的光学导航敏感器获得的航天器位置信息用于建立时间转换方程，对通过X射线探测器观测得到的X射线光子到达时间观测量进行时间转换；其次，基于经过时间转换的X射线光子到达时间数据，通过周期折叠方法获得观测脉冲轮廓；再次，将观测脉冲轮廓和已知的标准脉冲轮廓进行比对，计算得到脉冲星信号到达时间差，所得到的脉冲星信号到达时间差可作为航天器自主导航系统的观测量。该方法能够实现脉冲星信号到达时间差的准确计算，为航天器自主导航系统提供准确的脉冲星信号到达时间差观测量。CN10297ACN102997922A权利要求书1/2页1.一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其特征在于步骤如下：(1)在一个脉冲星观测时段内，通过航天器上的X射线探测器记录X射线光子到达时间；(2)通过航天器上的光学导航敏感器测量航天器的地心方向和地心距，将地心方向和地心距相乘并取反，得到航天器位置矢量；(3)利用通过步骤(2)获得的航天器位置矢量建立时间转换方程，通过时间转换方程对步骤(1)中获得的X射线光子到达时间进行时间转换，将X射线光子到达时间转换到太阳系质心作为空间参考点；(4)通过周期折叠方法对步骤(3)中所述经过时间转换的X射线光子到达时间数据进行处理，构造观测脉冲轮廓函数；(5)利用标准脉冲轮廓函数和步骤(4)获得的观测脉冲轮廓函数建立代价函数，基于所述代价函数进行非线性优化，从而得到自主导航需要的脉冲到达时间差观测量。2.根据权利要求1所述的一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其特征在于：所述步骤(3)中时间转换方程为：其中，为航天器上所记录的X射线光子到达时间，即脉冲星发射的X射线光子到达航天器的时间；表示经过时间转换的X射线光子到达时间，c表示光速，单位矢量n是脉冲星视线矢量，Do表示太阳系质心到脉冲星的距离，μs表示太阳引力场系数，b表示太阳系质心相对于太阳系中心的位置矢量，表示航天器位置矢量在太阳系质心惯性系中的投影。3.根据权利要求1所述的一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过周期折叠方法对经过时间转换的X射线光子到达时间数据进行处理，构造观测脉冲轮廓函数具体为：通过公式i＝1，2，...，Nb计算得到观测脉冲轮廓函数其中，Np表示脉冲星观测时段内包含的脉冲周期数，Nb表示一个脉冲周期内划分的时间窗口数，Tb表示时间窗口的长度。表示在以为中心的时间窗口中检测到的光子数，和表示离散的时间。4.根据权利要求1所述的一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法，其特征在于：所述代价函数为2CN102997922A权利要求书2/2页其中，表示标准脉冲轮廓函数；所述基于代价函数进行非线性优化通过如下公式进行：其中，表示脉冲星信号到达时间差，Tp表示已知的脉冲周期，为脉冲星信号到达时间差观测量，即在(0，Tp)范围内，使代价函数最小的3CN102997922A说明书1/6页一种利用光学导航信息的脉冲到达时间差确定方法技术领域[0001]本发明涉及一种基于光学导航信息的脉冲星信号到达时间差确定方法，属于航天器自主导航技术领域。背景技术[0002]航天器自主导航系统通过其自身的仪器设备确定航天器的位置和速度，能够减轻航天任务对地面测控的依赖，减小星地通讯的频率，提高航天器的自主生存能力。在过去的20年中，全球定位系统(GlobalPositioningSystem/GPS)逐渐成为低轨地球卫星的重要导航手段。但是，由于GPS系统主要对地面目标提供导航服务，对高轨卫星或深空探测器而言，GPS信号往往非常微弱，甚至无法接收到有效的GPS信号。此外，还要应对GPS受到干扰或遭到破坏的情况。因此，在利用GPS进行导航的同时，有必要探索新的自主导航方式。[0003]X射线脉冲星导航是一种新兴的航天器自主天文导航方式。脉冲星是恒星大部分核燃料已经耗尽时通过爆发形成的致密天体。恒星不再燃烧核燃料时，不能以热压力的方式来支持自身的引力塌陷，导致星体收缩，在巨大的