脉冲星特征频率信号的到达时间处理方法

doi:10.7527/S1000-6893.2021.26185

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脉冲星特征频率信号的到达时间处理方法

徐国栋(), 张丹蕾, 徐振东

哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨 150001

收稿日期:2021-08-02 修回日期:2021-09-09 接受日期:2021-11-18 出版日期:2023-02-15 发布日期:2021-12-01
通讯作者: 徐国栋 E-mail:xuguodong@hit.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(11973021);脉冲星导航专项(GFZX0301010501)

Arrival time processing method of pulsar characteristic frequency signals

Guodong XU(), Danlei ZHANG, Zhendong XU

School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China

Received:2021-08-02 Revised:2021-09-09 Accepted:2021-11-18 Online:2023-02-15 Published:2021-12-01
Contact: Guodong XU E-mail:xuguodong@hit.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(11973021);Pulsar Navigation Project(GFZX0301010501)

摘要/Abstract

摘要：

脉冲星导航是具有发展潜力的深空探测技术之一，然而极低的能流密度限制了脉冲星信号的信噪比，对高精度导航应用提出了极大的挑战。只有在脉冲星信号处理技术方面取得突破，才能使脉冲星导航系统小型化、实用化。本文综合分析了脉冲星导航应用存在的问题，探讨了脉冲星导航应用的技术途径，从深空应用的角度提出了脉冲星导航系统的可行方案，提出了一种脉冲星特征频率信号处理方法，分析了该方法的克拉美-罗界，利用Crab脉冲星数据进行了仿真验证。仿真结果表明：脉冲星特征频率信号处理方法可实现Crab脉冲星矢量方向3 km的定位精度，符合理论预期。

关键词: 脉冲星导航, 深空探测, 轻量化, 小型化, 脉冲星信号处理

Abstract:

Pulsar navigation is the most potential technology for autonomous management of the satellite in deep space exploration. However， the extremely low flux of pulsar signals limits the signal-to-noise ratio， and challenges high precision navigations. Only breakthrough is achieved in pulsar signal processing can the miniaturization of pulsar navigation system be solved and realized. In this paper， we analyze the problems in pulsar navigation， discuss the route of application for pulsar navigation， and propose a possible scheme for pulsar navigation systems. The Cramer-Rao Bound of the proposed scheme is analyzed and the scheme is demonstrated in simulations using the data of Crab Pulsar. Simulation result shows that the proposed pulsar signal processing scheme can achieve positioning accuracy of 3 km in the direction of Crab Pulsar vector， which is accordance with theoretical expectation.

Key words: pulsar navigation, deep space exploration, lightweight design, miniaturization, pulsar signal processing

中图分类号:

V324.2⁺4

徐国栋, 张丹蕾, 徐振东. 脉冲星特征频率信号的到达时间处理方法[J]. 航空学报, 2023, 44(3): 526185-526185.

Guodong XU, Danlei ZHANG, Zhendong XU. Arrival time processing method of pulsar characteristic frequency signals[J]. ACTA AERONAUTICAET ASTRONAUTICA SINICA, 2023, 44(3): 526185-526185.

图/表 15

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

表 1

图 8

图 9

图 10

表 2

图 11

图 12

表 3

参考文献 26

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光子计数	计数	比例/%
0	16 163 413	60.542 23
1	8 050 318	30.153 54
2	2 114 034	7.918 40
3	330 273	1.237 08
4	36 395	0.136 32
5	3 126	0.011 71
6	185	0.000 69
7	7	0.000 03

序号	脉冲星编号	能流密度（以光子计）/（ph·cm^-2·s^-1）	能流密度（以能量计）/（10^-16J·cm^-2·s^-1）
1	J0534+2200	1.54	9.93
2	J0419+5559	5.98	38.70
3	J1009-5817	3.59	23.20
4	J1013-4504	2.01	13.00
5	J1550-5628	1.80	11.60
6	J1645-4536	1.50	9.68
7	J1654-3950	5.39	34.90
8	J1719-2501	48.90	316.00
9	J1718-4029	4.19	27.10
10	J1733-3113	2.69	17.40
11	J1742-2746	9.08	58.80
12	J1744-2844	38.00	246.00
13	J1747-2633	1.20	7.74
14	J1748-2828	1.92	12.40
15	J1752-3137	4.22	27.30
16	J1801-2504	3.74	24.20
17	J1801-2031	2.10	13.60
18	J1806-2435	1.48	9.57
19	J1814-1709	1.05	6.78
20	J1816-1402	2.10	13.60
21	J1858+2239	1.80	11.60
22	J2144+3819	1.35	8.71
23	J0501+1146	14.40	93.20

谐波频率编号	信噪比/dB	定位偏差/km
1	5.04	10.876
2	5.57	7.126
3	5.74	8.532
5	4.27	1.781

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