X射线脉冲星导航的最优观测周期确定

苏剑宇; 方海燕; 高敬敬; 赵良

doi:10.7527/S1000-6893.2022.26597

航空学报 >

2023 , Vol. 44 >Issue 3: 526597 - 526597

DOI: https://doi.org/10.7527/S1000-6893.2022.26597

论文

X射线脉冲星导航的最优观测周期确定

苏剑宇 ,
方海燕 ,
高敬敬 ,
赵良

展开

^1.西安电子科技大学空间科学与技术学院，西安 710126
^2.北京临近空间飞行器系统工程研究所空间物理重点实验室，北京 100101

．E-mail： hyfang@xidian.edu.cn

收稿日期: 2021-11-02

修回日期: 2021-11-30

录用日期: 2022-03-14

网络出版日期: 2022-03-22

基金资助

省部级项目

收起

Determination of optimal observation period for X-ray pulsar-based navigation

Jianyu SU ,
Haiyan FANG ,
Jingjing GAO ,
Liang ZHAO

Expand

^1.School of Aerospace Science and Technology，Xidian University，Xi’an 710126，China
^2.Science and Technology on Space Physics Laboratory，Beijing Institute of Nearspace Vehicle’s Systems Engineering，Beijing 100101，China

E-mail： hyfang@xidian.edu.cn

Received date: 2021-11-02

Revised date: 2021-11-30

Accepted date: 2022-03-14

Online published: 2022-03-22

Supported by

Provincial and Ministerial Level Project

Fold

摘要

最优观测周期的确定对脉冲星导航计算具有重要意义。首先推导了航天器处观测脉冲相位估计方差的理论下界，然后给出了观测脉冲相位估计误差与脉冲星观测周期之间的关系式，并以观测脉冲相位估计的均方误差最小为准则，给出了最优观测周期的近似计算公式，最后利用脉冲星PSR B0531+21的实测数据验证了该关系式的正确性。仿真结果表明所给最优观测周期计算公式对脉冲星PSR B0531+21的预测误差为44 s，证明了所给公式的正确性，为导航中脉冲星观测周期的确定提供了理论基础。

关键词： 脉冲星导航; 观测脉冲相位; 观测周期; 理论下界; 均方误差

本文引用格式

苏剑宇 , 方海燕 , 高敬敬 , 赵良 . X射线脉冲星导航的最优观测周期确定[J]. 航空学报, 2023 , 44(3) : 526597 -526597 . DOI: 10.7527/S1000-6893.2022.26597

Abstract

To improve the estimation accuracy of observation pulse phase， the relationship between pulsar observation period and observation pulse phase estimation accuracy in navigation is studied. Firstly， the theoretical lower bound of observation pulse phase estimation variance at spacecraft is derived， and then the relationship between observation pulse phase estimation error and pulsar observation period is given. Taking the minimum mean square error of observation pulse phase estimation as the criterion， the approximate calculation formula of the optimal observation period is given. Finally， the observational data of PSR B0531+21 are used to verify the correctness of the formula. The simulation results show that the prediction error of the given optimal observation period formula for PSR B0531+21 is 44 s， which proves the correctness of the formula given in this paper and provides a theoretical basis for determining the observation period of pulsars in navigation.

Key words： pulsar navigation; observation pulse phase; observation period; theoretical lower bound; mean square error

参考文献

1	BERNHARDT M G， BECKER W， PRINZ T， et al. Autonomous spacecraft navigation based on pulsar timing information［C］∥2011 2nd International Conference on Space Technology. Piscataway： IEEE Press， 2011： 1-4.
2	CHESTER T J， Butman S A. Navigation using X-ray pulsars［R］. Washington D. C. ： JPL， 1981.
3	WOOD K S. Navigation studies utilizing the NRL801 experiment and the ARGOS satellite［C］∥Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering， 1993. Bellingham ： SPIE， 1993： 105-116.
4	SHEIKH S I. The use of variable celestial X-ray sources for spacecraft navigation［D］. Maryland： University of Maryland， 2005：1-5.
5	郑世界，葛明玉，韩大炜，等. 基于天宫二号POLAR的脉冲星导航实验［J］. 中国科学：物理学力学天文学， 2017， 47（9）： 1-9.
	ZHENG S J， GE M Y， HAN D W， et al. Test of pulsar navigation with POLAR on TG-2 space station［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica & Astronomica）， 2017， 47（9）： 1-9 （in Chinese）.
6	帅平，张新源，黄良伟，等. 脉冲星导航试验卫星科学观测数据分析［J］. 空间控制技术与应用， 2017， 43（2）：1-9.
	SHUAI P， ZHANG X Y， HUANG L W， et al. X-ray pulsar navigation test satellite science data analysis ［J］. Aerospace Control and Application， 2017， 43（2）：1-9 （in Chinese）.
7	HUNG L W， SHUAI P， ZHANG X Y， et al. Pulsar-based navigation results： Data processing of the x-ray pulsar navigation-I telescope［J］. Journal of Astronomical Telescopes， Instruments， and Systems， 2019， 5（1）： 1-9.
8	ZHENG S J， ZHANG S N， LU F J， et al. In-orbit demonstration of X-ray pulsar navigation with the Insight-HXMT satellite［J］. The Astrophysical Journal Supplement Series， 2019， 244（1）： 1-7.
9	YU W H， SEMPER S R， MITCHELL J W， et al. NASA SEXTANT Mission Operations Architecture［J］. Acta Astronaut， 2020， 176： 531-54.
10	WINTERNITZ L M B， HASSOUNEH M A， MITCHELL J W， et al. X-ray pulsar navigation algorithms and testbed for SEXTANT［C］∥2015 IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE Press， 2015： 1-14.
11	TAYLOR J H. Pulsar timing and relativistic gravity［J］. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A： Physical and Engineering Sciences， 1992， 341（1660）： 117-134.
12	EMADZADEH A A， SPEYER J L. On modeling and pulse phase estimation of X-ray pulsars［J］. IEEE Transactions on Signal Processing， 2010， 58（9）： 4484-4495.
13	EMADZADEH A A， SPEYER J L. A new relative navigation system based on X-ray pulsar measurements［C］∥2010 IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE Press， 2010： 1-8.
14	EMADZADEH A A， SPEYER J L. Relative navigation between two spacecraft using X-ray pulsars［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2011， 19（5）： 1021-1035.
15	LI J X， KE X Z. Maximum-likelihood TOA estimation of X-ray pulsar signals on the basis of poison model［J］. Chinese Astronomy and Astrophysics， 2011， 35（1）： 19-28.
16	李鹏飞，徐国栋，董立珉，等. X射线脉冲星信号时延的实时估计方法［J］. 航空学报， 2014， 35（7）： 1966-1976.
	LI P F， XU G D， DONG L M， et al. A real time estimation method of time-delay for X-ray pulsar signal［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2014， 35（7）： 1966-1976 （in Chinese）.
17	由四海，王宏力，冯磊，等. 基于小波变换与压缩感知的脉冲星TOA估计［J］. 红外与激光工程， 2020， 49（2）： 288-294.
	YOU S H， WANG H L， FENG L， et al. Pulsar TOA estimation based on wavelet transform and compressed sensing［J］. Infrared and Laser Engineering， 2020， 49（2）： 288-294 （in Chinese）.
18	WANG Y D， ZHENG W. Pulse phase estimation of X-ray pulsar with the aid of vehicle orbital dynamics［J］. Journal of Navigation， 2016， 69（2）： 414-432.
19	LIU J， FANG J C， NING X L， et al. Closed-loop EKF-based pulsar navigation for Mars explorer with Doppler effects［J］. Journal of Navigation， 2014， 67（5）： 776-790.
20	黄良伟. 基于计时模型的X射线脉冲星自主导航与算法研究［D］. 北京：清华大学， 2013.
	HUANG L W. Theory and algorithm study in X-ray pulsar autonomous based on pulsar timing model［D］. Beijing： Tsinghua University， 2013 （in Chinese）.
21	ZHANG H， XU L P， XIE Q. Modeling and Doppler measurement of X-ray pulsar［J］. Science China Physics， Mechanics and Astronomy， 2011， 54（6）： 1068-1076.
22	ANDERSON K D， PINES D. Experimental validation of pulse phase tracking for X-ray pulsar based spacecraft navigation［C］∥AIAA Guidance， Navigation， and Control （GNC） Conference. Reston： AIAA， 2013： 5202.
23	XUE M F， LI X P， FU L Z， et al. X-ray pulsar-based navigation using pulse phase and Doppler frequency measurements［J］. Science China Information Sciences， 2015， 58（12）： 1-14.
24	SU J Y， FANG H Y， BAO W M， et al. Fast simulation of X-ray pulsar signals at a spacecraft［J］. Acta Astronautica， 2020， 166： 93-103.
25	史蒂芬·凯. 统计信号处理基础［M］. 罗鹏飞，张文明，译. 北京：电子工业出版社， 2018： 68-142.
	STEVEN M K. Fundamental of statistical signal processing［M］. LUO P F， ZHANG W M， translated. Beijing： Publishing House of Electronics Industry， 2018： 68-142 （in Chinese）.
26	SMALE A P. Access to the catalogs and astronomical archives of the HEASARC［EB/OL］. ［2022-01-31］. .

Options

文章导航

模态框（Modal）标题

摘要

本文引用格式

Abstract

参考文献