1、X X射线脉冲星自主导航研究射线脉冲星自主导航研究vX射线脉冲星自主导航关键环节及存在的主要问题vX射线脉冲星自主导航状态方程与基本测量方程vX射线脉冲星自主导航仿真vX射线脉冲星自主导航仿真软件脉冲星的选取及其ToA残差特性分析考虑时间噪声的最小二乘X射线脉冲星自主导航仿真不考虑时间噪声情况下的滤波方法比较X X射线脉冲星自主导航研究射线脉冲星自主导航研究vX X射线脉冲星自主导航射线脉冲星自主导航关键环节及存在的主关键环节及存在的主要问题要问题vX射线脉冲星自主导航状态方程与基本测量方程vX射线脉冲星自主导航仿真vX射线脉冲星自主导航仿真软件脉冲星的选取及其ToA残差特性分析考虑时间噪声的
2、最小二乘X射线脉冲星自主导航仿真不考虑时间噪声情况下的滤波方法比较关键环节及存在的主要问题关键环节及存在的主要问题脉冲相脉冲相位平移位平移折叠参折叠参考历元考历元测量测量ToAToA测量脉冲轮廓测量脉冲轮廓脉冲折叠脉冲折叠光子光子ToAToA（坐标时）（坐标时）光子光子ToAToA转换转换光子光子ToAToA（固有时）（固有时）X X射线探测器（时钟）射线探测器（时钟）测量脉测量脉冲轮廓冲轮廓标准脉标准脉冲轮廓冲轮廓脉冲相脉冲相位平移位平移2 2、脉冲互相关处、脉冲互相关处理理预报预报ToAToAToAToA时间模型时间模型1 1、测量脉冲轮廓获取、测量脉冲轮廓获取4 4、ToAToA预报预报
3、3 3、ToAToA测量测量测量测量ToAToA预报预报ToAToAToAToA残残差差5 5、ToAToA残差计算残差计算ToAToA残差残差导航结果导航结果6 6、导航滤波、导航滤波X X射线脉冲星自主导航研究射线脉冲星自主导航研究vX射线脉冲星自主导航关键环节及存在的主要问题vX X射线脉冲星自主导航射线脉冲星自主导航状态方程与基本测量状态方程与基本测量方程方程vX射线脉冲星自主导航仿真vX射线脉冲星自主导航仿真软件脉冲星的选取及其ToA残差特性分析考虑时间噪声的最小二乘X射线脉冲星自主导航仿真不考虑时间噪声情况下的滤波方法比较状态方程与基本测量方程状态方程与基本测量方程动力学动力学方程
4、方程状态方状态方程程转移矩转移矩阵阵基本基本观测观测量量基本基本测量测量方程方程X X射线脉冲星自主导航研究射线脉冲星自主导航研究vX射线脉冲星自主导航关键环节及存在的主要问题vX射线脉冲星自主导航状态方程与基本测量方程vX X射线脉冲星自主导航射线脉冲星自主导航仿真仿真vX射线脉冲星自主导航仿真软件脉冲星的选取及其脉冲星的选取及其ToAToA残差残差特性分析特性分析考虑时间噪声的最小二乘X射线脉冲星自主导航仿真不考虑时间噪声情况下的滤波方法比较脉冲星天文学知识回顾脉冲星天文学知识回顾需要长时间观测会显著影响ToA预报精度时间噪声为低时间噪声为低频噪声频噪声Tempo2的spectralMod
5、el插件傅立叶变换时间噪声相关矩阵时间噪声估计与预报傅立叶逆变换时间噪声可用频谱分析可用频谱分析建立其频域模建立其频域模型型 辐射流量高(ToA测量精度高)自转不稳定(ToA预报精度低)年轻脉年轻脉冲星冲星 自转很稳定(ToA预报精度高)辐射流量低(ToA测量精度低)毫秒脉毫秒脉冲星冲星ToAToA测测量误差量误差ToAToA预预报误差报误差ToAToA残差残差脉冲星选取准则脉冲星选取准则 毫秒脉冲星周期稳定 ToA预报精度高毫秒脉毫秒脉冲星冲星 射电脉冲星不一定具有X射线辐射 X射线辐射不一定能产生脉冲观测 X射线脉冲观测能为X射线白噪声估计提供依据有有X X射线射线脉冲观脉冲观测数据测数据
6、 可获得时间噪声频域模型参数 频谱模型参数可用于时间噪声仿真、估计和预报(Deng et al.2012)有有长期长期的的射电射电观测观测脉冲星参数脉冲星参数v基本参数v频谱模型参数时间噪声与周期跃变时间噪声与周期跃变PPTAPPTA射电观测射电观测ToAToA残差残差含有周期跃变的含有周期跃变的ToAToA残差残差周期跃变参数周期跃变参数X X射线射线ToAToA白噪声白噪声v信噪比信噪比v白噪声参数白噪声参数A:6500cm2Bx:2.0 mCrabX X射线脉冲星自主导航研究射线脉冲星自主导航研究vX射线脉冲星自主导航关键环节及存在的主要问题vX射线脉冲星自主导航状态方程与基本测量方程v
7、X X射线脉冲星自主导航射线脉冲星自主导航仿真仿真vX射线脉冲星自主导航仿真软件脉冲星的选取及其ToA残差特性分析考虑时间噪声的最小二乘考虑时间噪声的最小二乘X X射线脉冲星自主导航仿真射线脉冲星自主导航仿真不考虑时间噪声情况下的滤波方法比较考虑时间噪声的最小二乘仿真基础考虑时间噪声的最小二乘仿真基础 时间转换精度高(ns甚至是次ns)易于模拟产生时间噪声和周期跃变基于基于Tempo2Tempo2 时间噪声 周期跃变仿真生成射电和仿真生成射电和X X射线观测数射线观测数据据 Tempo2内嵌算法 简单高效最小二乘最小二乘仿真实现射电与仿真实现射电与X X射线射线ToAToA残差残差仿真数据仿真
8、数据仿真实现射电仿真实现射电ToAToA残差残差仿真情况总结仿真情况总结绝对位置确定绝对位置确定 不预报时间噪声 预报时间噪声轨道元素确定轨道元素确定 不预报时间噪声 预报时间噪声分时观测分时观测星上时钟误差星上时钟误差 考虑时钟误差但不校正 考虑时钟误差且校正脉冲星时间模型更新脉冲星时间模型更新 不更新 基于射电观测 基于X射线观测绝对位置与轨道元素确定绝对位置与轨道元素确定单次观测确定位置单次观测确定位置仿真目的仿真目的 验证算法的正确性 测试时间噪声对绝对位置确定算法的影响仿真设置仿真设置 初始位置误差：100km 时间噪声：不预报、预报 仿真次数：100次多次观测确定位置与速度多次观测
9、确定位置与速度仿真目的仿真目的 验证算法的正确性 测试时间噪声对轨道元素确定算法的影响仿真设置仿真设置 初始位置误差：100km 初始速度误差：0.01km/s 时间噪声：不预报、预报 仿真次数：100次星上时钟误差校正星上时钟误差校正多次观测确定位置、速度与时钟误差多次观测确定位置、速度与时钟误差仿真目的仿真目的 验证时钟误差校正算法的有效性红噪声代表时钟误差红噪声代表时钟误差(addGWBaddGWB)仿真设置仿真设置 初始位置误差：100km 初始速度误差：0.01km/s 时间噪声：预报 仿真次数：100次时间模型更新时间模型更新单次观测进行位置确定单次观测进行位置确定仿真目的仿真目的
10、 验证周期跃变对导航精度的影响 验证时间模型更新抑制周期跃变对导航精度影响的有效性对周期跃变处理措施对周期跃变处理措施 不更新时间模型 基于射电观测更新时间模型 基于X射线观测更新时间模型仿真设置仿真设置 初始误差：100km 时间噪声：预报 仿真次数：100次仿真结果总结仿真结果总结v仿真误差棒平均值仿真误差棒平均值v仿真误差标准差仿真误差标准差时间噪声对导航精度影响的进一步测试时间噪声对导航精度影响的进一步测试1 1单次观测进行位置确定单次观测进行位置确定仿真目的仿真目的 通过增加ToA预报时间间隔并统计对应的导航精度，来验证时间噪声对导航精度的影响与ToA预报时间间隔之间的关系仿真设置仿
11、真设置 初始误差：100km 时间噪声：不预报 仿真次数：100次时间噪声对导航精度影响的进一步测试时间噪声对导航精度影响的进一步测试2 2单次观测进行位置确定单次观测进行位置确定仿真目的仿真目的 测试ToA时间噪声对导航精度的影响与导航精度本身的关系 测试ToA时间噪声对导航精度的影响与射电观测时间长度的关系仿真设置仿真设置 初始误差：100km 时间噪声：不预报 仿真次数：100次考虑时间噪声的最小二乘考虑时间噪声的最小二乘X X射线脉冲射线脉冲星自主导航仿真小结星自主导航仿真小结所选毫秒脉冲星在所选毫秒脉冲星在ToAToA预报时间间隔较短的情况下预报时间间隔较短的情况下对导航精度影响不明
12、显对导航精度影响不明显时间噪声预报有助于获得准确的拟合误差棒信息时间噪声预报有助于获得准确的拟合误差棒信息分时观测可用于导航分时观测可用于导航最小二乘可以在不知道时钟模型的情况对时钟误最小二乘可以在不知道时钟模型的情况对时钟误差进行有效校正差进行有效校正时间模型更新可降低周期跃变对导航精度的影响时间模型更新可降低周期跃变对导航精度的影响时间噪声对导航精度的影响和时间噪声对导航精度的影响和ToAToA预报时间间隔、预报时间间隔、导航精度以及射电观测长度有关导航精度以及射电观测长度有关10km10km导航精度导航精度X X射线脉冲星自主导航研究射线脉冲星自主导航研究vX射线脉冲星自主导航关键环节及
13、存在的主要问题vX射线脉冲星自主导航状态方程与基本测量方程vX X射线脉冲星自主导航射线脉冲星自主导航仿真仿真vX射线脉冲星自主导航仿真软件脉冲星的选取及其ToA残差特性分析考虑时间噪声的最小二乘X射线脉冲星自主导航仿真不考虑时间噪声情况下的不考虑时间噪声情况下的滤波方法比较滤波方法比较滤波方法比较滤波方法比较v最小二乘最小二乘加权直接求解最小二乘加权迭代求解最小二乘非加权迭代求解最小二乘vEKFEKF测试EKF对状态噪声参数的敏感性测试EKF对测量噪声参数的敏感性vUKFUKF改进以提高计算效率v双差双差EKFEKF用来抑制甚至消除脉冲星无关误差对导航精度的影响时钟误差、爱因斯坦延迟计算误差
14、等基于最小二乘的基于最小二乘的X X射线脉冲星自主导航仿真要点射线脉冲星自主导航仿真要点仿真特点仿真特点 独立于Tempo2 不考虑时间噪声与周期跃变仿真目的仿真目的 比较加权直接求解最小二乘、加权迭代求解最小二乘以及非加权迭代求解最小二乘的精度以及稳定性仿真设置仿真设置 初始位置误差：100km 初始速度误差：0.1km/s 仿真次数：100次直接求解加权最小二乘直接求解加权最小二乘易失效易失效迭代求解加权最小二乘迭代求解加权最小二乘精度高、精度高、有失效的有失效的可能可能迭代求解非加权最小二乘迭代求解非加权最小二乘精度低、精度低、有失效的有失效的可能可能基于基于EKFEKF的的X X射线脉
15、冲星自主导航仿真要点射线脉冲星自主导航仿真要点仿真特点仿真特点 独立于Tempo2 不考虑时间噪声与周期跃变仿真目的仿真目的 测试系统噪声参数对EKF的精度与收敛速度的影响 测试测量噪声参数对EKF的精度与收敛速度的影响仿真设置仿真设置 滤波周期：3600s 初始位置误差：100km 初始速度误差：0.1km/s 仿真次数：100次EKFEKF对系统噪声参数的敏感性测试对系统噪声参数的敏感性测试精度最高测试4收敛最快测试1系统噪声参数设置情况总结测量噪声参数按照真实值进行设置EKFEKF对测量噪声参数的敏感性测试对测量噪声参数的敏感性测试精度最高测试4收敛最快测试1测量噪声设为1重做前面六组仿
16、真最小二乘和最小二乘和EKFEKF比较比较最小二乘位置：2.96km最小二乘速度：5.48cm/sEKF位置：1.15kmEKF速度：5.92cm/sEKF的精度优势不明显精度精度最小二乘没有收敛性问题，但是存在失效的可能EKF的收敛速度受测量噪声参数与系统噪声参数的影响收敛性收敛性精确系统噪声和测量噪声参数未知的情况下，可以优先考虑选取最小二乘精确系统噪声和测量噪声参数已知的情况下，可以优先考虑选取EKF算法选择算法选择基于双差基于双差EKFEKF的的X X射线脉冲星自主导航仿真射线脉冲星自主导航仿真仿真特点仿真特点 独立于Tempo2 不考虑时间噪声与周期跃变仿真目的仿真目的 通过对计算精
17、度的统计来检验双差EKF对时钟误差的抑制性能仿真设置仿真设置 初 始 钟 差：3.5858E-6s 漂 移 率：3.637979E-12s/s 漂移率变化率：6.66E-18s/s2 初始位置误差：100km 初始速度误差：0.1km/s 滤波周期：3600s 仿真次数：100次基于基于UKFUKF的的X X射线脉冲星自主导航仿真射线脉冲星自主导航仿真仿真特点仿真特点 独立于Tempo2 不考虑时间噪声与周期跃变仿真目的仿真目的 通过比较计算精度和计算效率来测试改进UKF相对于标准UKF在精度上的等效性，以及在计算效率上的优越性仿真设置仿真设置 初始位置误差：100km 初始速度误差：0.1k
18、m/s 滤波周期：3600s 仿真次数：100次X X射线脉冲星自主导航仿真总结射线脉冲星自主导航仿真总结脉冲星选取脉冲星选取所选脉冲星时间噪声在ToA预报时间间隔较短的情况下，对导航精度的影响较小时间噪声对导航精度的影响时间噪声对导航精度的影响随着ToA预报时间间隔的增加而增加随着导航精度的提高而明显随着射电观测长度的减少而明显最小二乘最小二乘不存在收敛时间问题但是存在失效的可能位置精度：2.96km速度精度：5.48cm/sEKFEKF系统噪声参数与测量噪声参数会显著影响EKF的计算精度与收敛速度位置精度：1.15km速度精度：5.92cm/s双差双差EKFEKF在时钟存在误差且不知道时钟
19、误差模型的情况下，将位置确定精度从335.9km降低到15.3kmUKFUKF改进UKF能在保证计算精度的前提下，切实的提高计算效率X X射线脉冲星自主导航研究射线脉冲星自主导航研究vX射线脉冲星自主导航关键环节及存在的主要问题vX射线脉冲星自主导航状态方程与基本测量方程vX射线脉冲星自主导航仿真vX X射线脉冲星自主导航射线脉冲星自主导航仿真软件仿真软件脉冲星的选取及其ToA残差特性分析考虑时间噪声的最小二乘X射线脉冲星自主导航仿真不同滤波方法测试软件功能和模块软件功能和模块 光子光子ToAToA模拟模拟 ToAToA转换转换 脉冲折叠脉冲折叠 脉冲互相关处理脉冲互相关处理 ToAToA测量
20、测量 ToAToA预报预报 ToAToA残差计算残差计算 导航结果导航结果仿真参数初始化仿真参数初始化导航时间序列产生导航时间序列产生X X射线脉冲星光子射线脉冲星光子ToAToA模拟模拟导航参数给出导航参数给出软件测试软件测试单次仿真单次仿真 在时间上服从高斯分布 误差棒能体现导航误差信息通过检验软件计算通过检验软件计算结果的随机分布特结果的随机分布特性，来验证软件计性，来验证软件计算结果的正确性算结果的正确性100100次仿真次仿真 在随机实现上服从高斯分布 误差棒能体现导航误差信息展望展望v如何获得精确的如何获得精确的X X射线射线ToAToA白噪声幅值？白噪声幅值？v模糊度问题？模糊度问题？v深空的到达时间转换问题？深空的到达时间转换问题？v星上星上处理器设计？处理器设计？v空间飞行验证？空间飞行验证？v其他问题？其他问题？
