一種x射線脈沖星導(dǎo)航信號整周模糊度檢測與估計方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種X射線脈沖星導(dǎo)航信號整周模糊度檢測與估計方法。技術(shù)方案是一個遞推解算過程，在任意的測量數(shù)據(jù)獲取時刻k,k＞0，首先修正XNAV信號整周模糊度，然后估計航天器軌道和接收機(jī)鐘差，利用TDOA測量殘差采用稀疏尋優(yōu)方法檢測XNAV信號的整周模糊度，再采用標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波方法估計XNAV信號的整周模糊度的浮點解，最后采用四舍五入的取整運(yùn)算計算k時刻的整周模糊度。本發(fā)明過程實現(xiàn)簡單，實時性強(qiáng)，并可有效降低檢測的漏警率和虛警率，提高整周模糊度檢測的穩(wěn)健性和整周模糊度估計的精度。
【專利說明】一種X射線脈沖星導(dǎo)航信號整周模糊度檢測與估計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及導(dǎo)航信息獲取與處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種X射線脈沖星導(dǎo)航信號的整周模糊度檢測與估計方法。
【背景技術(shù)】
[0002]XNAV (x-ray pulsar-based navigation, X射線脈沖星導(dǎo)航)是近年來發(fā)展迅速的一種天文導(dǎo)航技術(shù)，它基于X射線脈沖星輻射的高穩(wěn)定脈沖信號和已知的脈沖星空間位置信息，為觀測者提供航天器的位置、速度、姿態(tài)乃至?xí)r間等運(yùn)動參數(shù)信息，相比地面雷達(dá)和GNSS (Global Navigation Satellite System,全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))等傳統(tǒng)導(dǎo)航技術(shù),具有完全自主、穩(wěn)定、可靠和高精度等諸多優(yōu)勢。因此，將XNAV系統(tǒng)應(yīng)用于航天器自主導(dǎo)航，特別是深空探測中的行星際航天器自主導(dǎo)航，有重要的理論和實際意義。
[0003]X射線脈沖星導(dǎo)航信號是脈沖星輻射信號到航天器和空間參考點(如太陽系質(zhì)心、地球質(zhì)心等)的TDOA (time difference of arrival,到達(dá)時間差)測量,它是導(dǎo)航接收機(jī)獲取的脈沖星輻射信號經(jīng)過降噪和相位估計等處理后獲得的，其整周模糊度的快速檢測和準(zhǔn)確估計是提高XANV導(dǎo)航性能的關(guān)鍵因素之一。TDOA測量的整周模糊度解算是一個三維空間解模糊問題，傳統(tǒng)的空間搜索方法計算復(fù)雜度很高。為提高算法實時性，有學(xué)者提出直接利用TDOA測量或航天器軌道預(yù)測值估計整周模糊度的方法，然而由于TDOA測量誤差較大，以及系統(tǒng)工作初期 或發(fā)生故障時軌道預(yù)測精度較低，容易出現(xiàn)整周模糊度的漏檢和虛警，可靠性較低，這就要求我們提出高效穩(wěn)健的整周模糊度檢測與估計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供一種高效穩(wěn)健的XNAV信號整周模糊度檢測和估計方法。本方法利用XNAV信號整周模糊度的相位整周特性和稀疏變化特性，將整周模糊度的檢測和估計看成系統(tǒng)誤差的估計問題，采用稀疏尋優(yōu)方法，快速高效的完成整周模糊度的檢測與估計。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案的基本思路是，由于XNAV信號整周模糊度的出現(xiàn)和周跳變化通常只在少數(shù)幾個脈沖星測量通道內(nèi)發(fā)生，因此通過將整周模糊度等效為一種系統(tǒng)測量誤差，在每個新的TDOA測量時刻，首先利用之前估計得到的整周模糊度修正TDOA測量，然后估計航天器的軌道和接收機(jī)鐘差，再利用TDOA測量殘差進(jìn)行稀疏尋優(yōu)，檢測每個測量通道內(nèi)整周模糊度的存在性，最后利用TDOA測量殘差估計得到新的XNAV信號整周模糊度。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是，已知XNAV系統(tǒng)具有N顆脈沖星的測量通道，各測量通道的信號積累周期為ATi, i = 1，...，?，Ν，第i顆脈沖星TDOA測量的信號周期為U =1，...，i，N，第i顆脈沖星TDOA測量的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為σ i； i = I,...，i，N，第i顆脈沖星TDOA
測量的整周模糊度估計值的初值1 =OJ = I,2,...,N。在任意的測量數(shù)據(jù)獲取時刻k，k > 0，
航天器接收到N顆X射線脈沖星的TDOA測量值&,，i = 1，2，...，N，進(jìn)行下述處理步驟:
[0007]步驟一:修正XNAV信號整周模糊度。[0008]將TDOA測量值減去k-Ι時刻的整周模糊度估計值，得到TDOA測量修正
量 t，i;k。
[0009]步驟二:估計航天器軌道和接收機(jī)鐘差。
[0010]根據(jù)航天器軌道動力學(xué)特征和接收機(jī)鐘差的時間演化特性，采用典型的脈沖星非線性導(dǎo)航濾波方法(具體方法參照《關(guān)于X射線脈沖星導(dǎo)航的軌道力學(xué)問題》，帥平等，中國科學(xué)E輯，2009.3，第556頁到第561頁)，設(shè)計航天器狀態(tài)濾波器，以TDOA測量修正量t’ i；k, i = I, 2,..., N為濾波器輸入,估計航天器狀態(tài)Xk = [rk, vk, τ k]T,其中rk表示k時刻航天器的軌道位置，Vk表示k時刻航天器的軌道速度，τ k表示k時刻的導(dǎo)航接收機(jī)鐘差，并記濾波輸出的第i顆脈沖星TDOA測量殘差為Atu，i = I,…，N。
[0011 ] 步驟三:檢測XNAV信號的整周模糊度。
[0012]計算第i顆脈沖星的歸一化TDOA測量殘差yi，k:
[0013]Yiik=AtiikZoui = Ir^N(公式一)
[0014]對yk = [yi，k，…，yi，k...，yN，k]采用基于匹配追蹤的稀疏尋優(yōu)方法(具體方法參照((Fast Bayesian Matching Pursuit)), Philip Schniter, Information Theory andApplications Workshop, 2008,第326頁到第333頁)，獲得yk中幅度大于a |yk|的分量，相應(yīng)通道的脈沖星組成k時刻可能存在整周模糊度的待選脈沖星序列。其中，稀疏度百分比α (O < α < I)作為稀疏度標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實際情況確定。當(dāng)k < 5時，各通道TDOA測量的
整周模糊度估計值、保持為初值0，結(jié)束k時刻的數(shù)據(jù)處理步驟，轉(zhuǎn)入k+Ι時刻的數(shù)據(jù)處理步驟；當(dāng)k > 5時，若某脈沖星在最近5個數(shù)據(jù)獲取時刻有不少于3次位于待選脈沖星序列內(nèi)，則判定該脈沖星在k時刻的TDOA測量存在整周模糊度。
[0015]步驟四:估計XNAV信號的整周模糊度。
[0016]將k時刻XNAV信號的整周模糊度Sk = [s1；k,…Si，k，…，sN，k]作為TDOA測量的系統(tǒng)誤差，建立如下的整周模糊度狀態(tài)方程:
[0017]Sk = CkSk-JUk (公式二)
[0018]其中Ck為NXN的對角矩陣，步驟三判定在k時刻存在整周模糊度的脈沖星序號對應(yīng)的Ck對角元素取值為1，否則取值為0，Sk^1為k-ι時刻XNAV信號的整周模糊度，Uk =[Ul,k)-Uiik,-)%k]為零均值高斯白噪聲向量，其第i個元素Ui，k的標(biāo)準(zhǔn)差為β Qi，其中比例系數(shù)β可根據(jù)實際情況確定。
[0019]建立k時刻的整周模糊度測量方程:
[0020]Ati k = Siik+ ε k i = I, 2,..., N (公式三)
[0021]其中ε k是標(biāo)準(zhǔn)差為σ i的零均值高斯白噪聲向量。
[0022]利用公式二和公式三采用標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波方法，估計得到XNAV信號的整周模糊度浮點解之,P f = U，__.，#，最后計算k時刻的第i顆脈沖星整周模糊度1:如下:
[0023]^ roiincHs)J/Ti)-Ti, / = 1,2,…,/V (公式四)
[0024]其中round表示四舍五入的取整函數(shù)。
[0025]本發(fā)明的 有益效果是:(I)采用基于匹配追蹤的稀疏尋優(yōu)方法進(jìn)行整周模糊度檢測，過程實現(xiàn)簡單，計算量遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的空間搜索法，實時性強(qiáng)；(2)將航天器狀態(tài)濾波器的TDOA測量殘差作為整周模糊度檢測與估計的輸入，可減小原始TDOA測量中隨機(jī)誤差和粗差的影響，有效降低檢測的漏警率和虛警率，提高整周模糊度檢測的穩(wěn)健性和整周模糊度估計的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的原理流程示意圖；
[0027]圖2是本發(fā)明實施例輸入的各脈沖星測量通道的相關(guān)參數(shù)；
[0028]圖3是本發(fā)明實施例輸入的航天器軌道根數(shù)；
[0029]圖4是整周模糊度檢測和估計結(jié)果；
[0030]圖5是航天器軌道位置估計誤差；
[0031 ]圖6是航天器軌道速度估計誤差；
[0032]圖7是航天器接收機(jī)鐘差估計誤差。
【具體實施方式】
[0033]圖1是本發(fā)明的原理流程示意圖。技術(shù)方案是一個遞推解算過程，在任意的測量數(shù)據(jù)獲取時刻k，k > 0 ，首先修正XNAV信號整周模糊度，然后估計航天器軌道和接收機(jī)鐘差，利用TDOA測量殘差采用稀疏尋優(yōu)方法檢測XNAV信號的整周模糊度，再采用標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波方法估計XNAV信號的整周模糊度的浮點解，最后采用四舍五入的取整運(yùn)算計算k時刻的整周模糊度。
[0034]圖2至圖7是利用本發(fā)明進(jìn)行仿真實驗的結(jié)果。
[0035]仿真實驗中，航天器XNAV系統(tǒng)的脈沖星測量通道數(shù)N為6，航天器軌道根數(shù)見圖2所示，6顆脈沖星TDOA測量通道的信號周期等相關(guān)參數(shù)見圖3所示。導(dǎo)航接收機(jī)鐘差^為I微秒的常值，各通道信號積累周期八1均為500s，各脈沖星TDOA測量的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差Oi均為1.267微秒，仿真時長為48小時。第I顆脈沖星的TDOA測量在80000s至100000s時間段內(nèi)出現(xiàn)I個周期的整周模糊度；第2顆脈沖星的TDOA測量在全仿真時段內(nèi)有4個周期的整周模糊度；第3顆脈沖星在20000s至120000s時間段內(nèi)出現(xiàn)I個周期的整周模糊度，在120000s至仿真結(jié)束出現(xiàn)3個周期的整周模糊度；第4、5、6顆脈沖星均未出現(xiàn)整周模糊度。步驟三中參數(shù)α取0.1，步驟四中參數(shù)β取1000。
[0036]圖4為6顆脈沖星TDOA測量的整周模糊度檢測與估計結(jié)果。其中橫坐標(biāo)為時間(IO5s),縱坐標(biāo)為整周模糊度對應(yīng)的周期數(shù)(以下簡稱為模糊數(shù))，空心圓圈形狀的曲線為模糊數(shù)真值，實心圓點形狀的曲線為模糊數(shù)估計值，箭頭指向的小塊曲線是模糊數(shù)曲線跳變處的局部放大圖。第1、3、5、6顆脈沖星均獲得了理想的整周模糊度檢測與估計結(jié)果;第2顆脈沖星在經(jīng)歷了一段收斂時間后也得到理想的估計結(jié)果；第4顆脈沖星僅在初始階段出現(xiàn)了短暫的-1個周期的整周模糊度虛警?？傮w上，6顆脈沖星均可快速高精度的獲得令人滿意的整周模糊度檢測與估計結(jié)果。
[0037]圖5、圖6和圖7分別為航天器XNAV的軌道位置、軌道速度和接收機(jī)鐘差的估計誤差曲線。其中橫坐標(biāo)為時間(S)，縱坐標(biāo)為各項估計誤差，實線為測量數(shù)據(jù)中無整周模糊度時的估計誤差，虛線為測量數(shù)據(jù)中有整周模糊度時并采用本方法后的估計誤差。從虛線中可以看出，導(dǎo)航濾波器在每次整周模糊度變化后快速收斂，各項誤差與無整周模糊度時相當(dāng)，取得了令人滿意的導(dǎo)航精度和穩(wěn)健性。
【權(quán)利要求】
1.一種X射線脈沖星導(dǎo)航信號整周模糊度檢測與估計方法，X射線脈沖星導(dǎo)航記為XNAV,已知XNAV系統(tǒng)具有N顆脈沖星的測量通道，各測量通道的信號積累周期為AI^i =1，…，i，N，第i個測量通道即第i顆脈沖星的TDOA測量的信號周期為Ti,,其中TDOA表示到達(dá)時間差，第i顆脈沖星TDOA測量的噪聲標(biāo)準(zhǔn)差為σ i，第i顆脈沖星TDOA測量的整周模糊度估計值的初值= O ;在任意的測量數(shù)據(jù)獲取時刻k，k > 0，航天器接收到N顆X射線脈沖星的TDOA測量值&,，其特征在于，進(jìn)行下述處理步驟: 步驟一:修正XNAV信號整周模糊度: 將TDOA測量值減去k-Ι時刻的整周模糊度估計值t——,，得到TDOA測量修正量t，i;k ; 步驟二:估計航天器軌道和接收機(jī)鐘差: 根據(jù)航天器軌道動力學(xué)特征和接收機(jī)鐘差的時間演化特性，采用典型的脈沖星非線性導(dǎo)航濾波方法設(shè)計航天器狀態(tài)濾波器，以TDOA測量修正量t’ u為濾波器輸入，估計航天器狀態(tài)Xk = [rk, vk, τ k]T,其中rk表示k時刻航天器的軌道位置,Vk表示k時刻航天器的軌道速度，τ k表示k時刻的導(dǎo)航接收機(jī)鐘差，并記濾波輸出的第i顆脈沖星TDOA測量殘差為Atiik ; 步驟三:檢測XNAV信號的整周模糊度: 計算第i顆脈沖星的歸一化TDOA測量殘差yi，k: Yi,k = Ati;k/σ i(公式一) 對yk = [yi;k,..., yi;k..., yN, J采用基于匹配追蹤的稀疏尋優(yōu)方法獲得yk中幅度大于α I IykI I的分量，相應(yīng)通道的脈沖星組成k時刻可能存在整周模糊度的待選脈沖星序列；其中，稀疏度百分比α作為稀疏度標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實際情況確定且O < α < I ;當(dāng)k < 5時，各通道TDOA測量的整周模糊度估計值&保持為初值0，結(jié)束k時刻的數(shù)據(jù)處理步驟，轉(zhuǎn)入k+1時刻的數(shù)據(jù)處理步驟；當(dāng)k > 5時，若某脈沖星在最近5個數(shù)據(jù)獲取時刻有不少于3次位于待選脈沖星序列內(nèi)，則判定該脈沖星在k時刻的TDOA測量存在整周模糊度； 步驟四:估計XNAV信號的整周模糊度: 將k時刻XNAV信號的整周模糊度Sk = [s1；k,…Si，k，…，sN，k]作為TDOA測量的系統(tǒng)誤差，建立如下的整周模糊度狀態(tài)方程: Sk = CkSdUk(公式二) 其中Ck為NXN的對角矩陣，步驟三判定在k時刻存在整周模糊度的脈沖星序號對應(yīng)的Ck對角元素取值為1，否則取值為Ojlri為k-Ι時刻XNAV信號的整周模糊度，Uk = [u1；k,…Uiik，…，％k]為零均值高斯白噪聲向量，其第i個元素Ui，k的標(biāo)準(zhǔn)差為β Qi，其中比例系數(shù)β可根據(jù)實際情況確定； 建立k時刻的整周模糊度測量方程:
Δ ti；k = si；k+ ε k i = I, 2,..., N(公式三) 其中H是標(biāo)準(zhǔn)差為Oi的零均值高斯白噪聲向量； 利用公式二和公式三采用標(biāo)準(zhǔn)Kalman濾波方法，估計得到XNAV信號的整周模糊度浮點解之/，最后計算k時刻的第i顆脈沖星整周模糊度s ,如下:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的X射線脈沖星導(dǎo)航信號整周模糊度檢測與估計方法，其特征在于，步驟三中參數(shù)α的取值是0.1，步驟四中參數(shù)β的取值是1000。
【文檔編號】G01C21/02GK103940424SQ201410147927
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】余安喜, 劉也, 董臻, 孫造宇, 杜湘瑜, 黃海風(fēng), 何峰, 何志華 申請人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)