基于虚拟观测值的X射线单脉冲星星光组合导航

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1、2016年6月第42卷第6期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsJune2016V01．42NO．6http：}fbhxb．buaa．edu．enjbuaa@buaa．edu．caDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0422基于虚拟观测值的X射线单脉冲星星光组合导航杨博1’+，胡声曼1’2，孙晖1，徐帆2(1．北京航空航天大学宇航学院，北京100083；2．北京航天自动控制研究所，北京100854)摘要：传统的X射线脉冲星导航系统需要

2、同时观测3～4颗脉冲星，有效载荷的质量和功耗极大。因此，单探测器脉冲星导航技术是实现航天器利用x射线脉冲星导航的关键举措。针对单探测器脉冲星导航的可观测性弱和精度低等问题提出了基于虚拟观测值的x射线单脉冲星与星光集中式组合滤波的高精度导航方法，即在x射线脉冲星的长周期内增加与星光同时刻观测的虚拟观测值，以实现高精度的集中式组合滤波算法。同时提出了利用神经网络预测虚拟观测值方法，并与利用动力学递推的方法进行比较，精度可以达到10‘7量级。仿真结果表明，该方法可大大提高单探测器的导航的可靠性，补偿由于探测器误差造成的导航误差，导航位置误差为259．79m，同

3、时有效地减小了导航系统的重量，为x射线脉冲星导航的工程实现提供了参考依据。关键词：脉冲星；单探测器；组合导航；神经网络；虚拟观测值中图分类号：P128．4；P145．6；V476．4文献标识码：A文章编号：1001-5965(2016)06—1107-09卫星自主导航技术的研究发展到现今已有几十年的历史，而其主要研究集中在对低轨道卫星的应用上，因此，目前低轨道卫星自主导航方法已相对成熟。相比而言，高轨道卫星的轨道确定基本依赖地面测控网的不断观测，其自主导航技术发展缓慢。近年来，高轨道卫星以其轨道高度高，对地覆盖广，在气象探测、通讯、导航定位、电视直播以及

4、空间太阳能站等军事、经济和科学技术方面起到了重要的作用。因此，高轨道卫星的自主导航技术研究势在必行⋯。当前在高轨道卫星的自主导航研究中，主要集中在2个方面：一是采用天体敏感器的天文导航；二是采用星载卫星导航接收机的全球导航卫星系统(GNSS)导航。前者是用光学敏感器测得的天体(如月球、地球、太阳、其他行星和恒星)信息进行载体位置的解算，但是由于高轨道观测地平精度有限，导致单一使用天文导航方法进行高轨道卫星位置确定精度较低。而后者主要是研究GPS高轨道卫星的自主定轨，此方法也存在着导航星星数不足和信号几何覆盖差等缺点⋯。x射线脉冲星导航(XNAV)是一种全

5、新的航天器自主导航方法，是以遥远的天体x射线脉冲星体作为定位的基准，并具有相当高的准确性和可靠性。同时它以太阳系为参考物，因此具有为中、高轨道卫星提供自主确定时间、位置和姿态的能力，这为高轨道卫星的自主导航提供一条新的解决途径旧。。目前，脉冲星导航系统的研制仍处于试验的初级阶段。由于x射线探测器的成本和技术风险都较高，而现有的导航算法大多是同时观测3～4颗脉冲星来进行导航解算，这样将大大增加了航天器有效载荷的负担和功耗，同时对航天器姿态精度要求也很高。因此，近年来提出了单X射线探测器导航方法"1，尽管该单脉冲星导航系统有诸多优点，但可观测性较差，很难单独

6、收稿日期：2015-06-24；录用日期：2015439一11；网络出版时间：2015-09—1711：45网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V，20150917．1145．006．html基金项目：国家自然科学基金(51275027)}通讯作者：Tel．：15901355288E—mail：yangbo@buaa．edu．en；f用格式：杨博，胡声曼，孙晖，等．基于虚拟观测值的x射线单脉冲星星光组合导航fJJ．北京航空航天大学学报，2016，42(6)：1107—1115．YANGB，HUSM，SUNH，e

7、ta1．IntegratedsingleX-raypulsarandstarlightnavigationbasedonvirtualobservationvaluefJJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2016，42(6)：jt07-11t5finChinese)．1108北京航空航天大学学报应用于长期自主定轨过程中。笔者前期研究工作提出了分时段实时观测脉冲星的单探测器导航方法H1，该方法有效解决了单脉冲星系统可观性差的问题，但由于每一时段导航观测信息不够充分，使得导航精度

8、相比多星观测有一定降低。针对上述问题，本文提出一种基于虚拟观测值的高精度单脉冲星