一種x射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán)比相方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于相對導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種X射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán) 比相方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 相對導(dǎo)航是航天器間執(zhí)行自主交會對接、協(xié)作通信以及編隊飛行等空間任務(wù)的一 項關(guān)鍵技術(shù)。現(xiàn)階段較為成熟的相對導(dǎo)航系統(tǒng)需要地面設(shè)施的輔助和支撐，具有自主性 弱、抗干擾能力差和不適用深空等缺點。而基于X射線脈沖星的相對導(dǎo)航系統(tǒng)因其自主性 高、可靠性好、適用性廣等優(yōu)點，與現(xiàn)有的導(dǎo)航系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補，是一種全新的自主導(dǎo)航 方法，正逐漸受到航空航天領(lǐng)域的高度重視和青睞。一般地，脈沖到達時間延遲量主要通過 脈沖信號的延遲相位來獲得，其精度直接決定了兩航天器相對定位的精度。因此，如何獲得 高精度的比相估計便成了亟待解決的問題。經(jīng)典的相位估計算法是時域互相關(guān)算法和頻 域Taylor FFT算法。時域互相關(guān)算法主要采用光子的經(jīng)驗密度函數(shù)及光子的真實密度函 數(shù)間的互相關(guān)函數(shù)來得到時間延遲量，其測量的精度取決于脈沖星信號的采樣頻率；頻域 Taylor FFT主要用于射電脈沖星計時，其基本原理是對傅里葉變換后的經(jīng)驗速率函數(shù)和真 值速率函數(shù)的差值進行最小化處理，該時間延遲量的測量精度不受時域采樣頻率的限制， 卻依賴于累積脈沖輪廓的信噪比。隨后，Emadzadeh從概率統(tǒng)計學(xué)角度出發(fā)，直接采用測量 到的光子到達時間進行延遲估計，無需再獲取速率數(shù)據(jù)，免去了復(fù)雜的累積過程，并采用克 拉美羅下界為其測量均方根誤差的下界，分析了最大似然的測量誤差漸變曲線。但總的來 說，上述這些對航天器間的延遲相位方法主要采用脈沖信號的累積輪廓或直接測量得到的 光子到達時間序列作為研究對象。而事實上，在對脈沖信號輪廓進行累積的過程中，由于平 滑作用極易造成信號的細節(jié)信息損失而降低信噪比；如果選擇直接測量得到的光子到達時 間序列則會加大數(shù)據(jù)對象，給運算單元帶來超重負荷而降低運算效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種X射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán)比相方法，旨在有 效地保留有用信號的細節(jié)信息，降低計算復(fù)雜度，提高比相精度。
[0004] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種X射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán)比相方法，其特征 在于，所述X射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán)比相方法是基于同一顆X射線脈沖星源，對兩 航天器測量到其發(fā)射的光子序列間的歸一化延遲相位的測量。其主要實現(xiàn)方案為：首先對 兩航天器測量到的光子到達時間序列進行等間隔采樣獲取其對應(yīng)的光子強度序列，經(jīng)傅里 葉變換將其變換到頻域內(nèi)；然后提取頻域內(nèi)光子強度序列間的相位差信息，并對出現(xiàn)分段 的相位差進行累積，獲取相位差關(guān)于對應(yīng)頻點的比值；最后，對頻域內(nèi)相位差與各頻點的比 值進行能量加權(quán)及比例乘法運算即可得到脈沖信號在時域內(nèi)的歸一化延遲相位。該方法主 要基于具有非齊次泊松分布特點的脈沖信號開展的實驗研究，可同樣適用于與X射線脈沖 星信號特性類似的周期性信號模型。又由于延遲相位與兩航天器沿脈沖星矢量方向上的距 離增量之間存在的固有關(guān)系可實現(xiàn)對航天器間相對運動狀態(tài)的估計，因此該方法也可用于 對位置估計精度要求十分嚴格的航天器交互對接、編隊飛行及深空探測等領(lǐng)域。
[0005] 進一步，所述X射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán)比相方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一，已知相同觀測時間內(nèi)兩光子到達時間序列T1 (t)、T2 (t)，進行單位周期內(nèi) 等間隔采樣得到對應(yīng)的光子強度序列λ i (η)、λ 2 (n) (n = 1，2.，. . .，N);
[0007] 步驟二，對比處理器內(nèi)存單元與光子強度序列長度，若N < Ν。，Ν。為已知固定的閥 值，則繼續(xù)步驟三、步驟四、步驟五；反之，將N分成L段時間區(qū)間，每段包含M個周期，對每 個時間區(qū)間內(nèi)的光子強度序列依次執(zhí)行步驟三、步驟四、步驟五；
[0008] 步驟三，對 λ i (η)、λ 2 (η)進行 FFT 變換得到 X1 (k)、X2 (k) (k = 1，2, · · ·，Ν)，λ i (η) 與λ 2(η)在時域內(nèi)的超前或滯后的η。個時間片段會反映在頻域內(nèi)的比相信息上；
[0009] 步驟四，獲取X1 (k)、X2 (k)的相位約(△)、^ (幻，并進彳丁做差運算得到相位差 Δ </?(/〇 ；
[0010] 步驟五，對相位差Δ河O進行累積運算，得到累積后相位差與對應(yīng)頻率點的比值 s(k)；
[0011] 步驟六，賦予各頻點處S (k) -個對應(yīng)的能量權(quán)重ω (k)得到平均比值s。，s。乘以 比例因子1/2 31即可得到兩光子強度序列在時域內(nèi)的歸一化延遲相位。
[0012] 進一步，所述步驟三的將時域內(nèi)的光子強度信息經(jīng)FFT變換得到頻域內(nèi)的X1 (k)、 X2 00,按照如下步驟進行：
[0013] 對航天器SCl測量得到的光子強度信息進行FFT變換得到：
[0015] 對航天器SC2測量得到的光子強度信息進行FFT變換得到：
[0017] 式中，η表示第η個采樣時間片段，k表示各時間片段對應(yīng)的頻率，且k和η均為整 數(shù)值；N表示采樣時間片段的總數(shù)；式中采用λ^η-η。）約等于λ 2(η)，是由于探測器接收到 的兩光子信號來自于同一顆X射線脈沖星。
[0018] 進一步，所述步驟四中分別計算頻域內(nèi)兩光子強度的相位并提取兩者的相位差， 通過如下步驟計算：
[0019] 采用反正切函數(shù)分別提取出兩光子強度序列在頻域內(nèi)各頻點處的相位值為：
[0021] 對兩光子強度在頻域內(nèi)對應(yīng)頻點處的相位進行做差運算，得到兩者之間的相位差 值：
[0023] 進一步，所述步驟五中累積相位差Δ河幻，計算累積后相位差與對應(yīng)頻率點的比 值S (k)，按如下步驟進行：
[0024] 第一步，分析相位差的Δρ(幻在[-231,231]之間變化，即頻域內(nèi)的Δ</〇是關(guān)于 頻率k的不連續(xù)函數(shù)：
[0026] 由上式可見，k在頻率域內(nèi)實際上被分成了 njNAN/n。)）段，每段內(nèi)的頻率變化范 圍均為[0，N/n。];
[0027] 第二步，對[0, 2 π]范圍內(nèi)的相位差進行累積，消除分段現(xiàn)象，得到頻域區(qū)間內(nèi)連 續(xù)的相位差變化：
[0029] 式中，設(shè)定Δρ(幻>0的個數(shù)為^且其在頻域內(nèi)對應(yīng)的頻率為!^)" = 1，2,. . . p ;且每段頻率區(qū)間內(nèi)相位差的個數(shù)均為nd= N/n。；
[0030] 第三步，對[-231,0]范圍內(nèi)的相位差進行累積，消除分段現(xiàn)象，得到頻域區(qū)間內(nèi) 連續(xù)的相位差變化：
[0032] 式中，設(shè)定0的個數(shù)為q，且其在頻域內(nèi)對應(yīng)的頻率為q (j)，j = 1，2, . . . q ;且每段頻率區(qū)間內(nèi)相位差的個數(shù)均為nd= N/n。；
[0033] 第四步，設(shè)[0, 2 π]及[-2π，0]區(qū)間內(nèi)的相位差與對應(yīng)頻率的比值分別為Sp(i) 和sn(j)，則有：
[0035] 令s = {sp，sq}，記得到了整個頻率區(qū)間內(nèi)相位差與其對應(yīng)頻點之間的比值。
[0036] 進一步，所述步驟六中對s (k)進行能量加權(quán)、求和及比例乘法運算得到時域內(nèi)光 子強度序列的比相值，按如下步驟進行：
[0037] 第一步，基于各頻率點處的兩列光子強度的幅度信息對相應(yīng)的s (k)進行能量加 權(quán)，得到一個相對的穩(wěn)定的s。如下：
[0041] 第二步，s。乘以比例因子1/2 π即得到兩光子強度序列在時域內(nèi)的延遲相位：
[0043] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用所述X射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán)比 相方法的航天器交互對接系統(tǒng)。
[0044] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用所述X射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán)比 相方法的編隊飛行控制系統(tǒng)。
[0045] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種使用所述X射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán)比 相方法的深空探測控制系統(tǒng)。
[0046] 本發(fā)明提供的X射線脈沖星光子序列的頻域加權(quán)比相方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具 有以下優(yōu)勢：
[0047] 1.本發(fā)明對與X射線脈沖星信號具有類似的非齊次泊松分布特性的周期性信號 具有普適性；
[0048] 2.本發(fā)明選用整個觀測時間內(nèi)的光子強度序列作為研究對象，無須進行輪廓累積 過程，很好地保留了脈沖信號的有效性和完整性，提高了信噪比；
[0049] 3.本發(fā)明對直接觀測到的光子到達時間進行了采樣處理，減少了數(shù)據(jù)運算，相比 于最大似然比相估計器節(jié)省了近10倍左右的計算時間；
[0050] 4.本發(fā)明在比相過程中采用了頻域內(nèi)能量加權(quán)平均的計算方法，削弱或防止了噪 聲的干擾，對有效信號賦予了較高的權(quán)值，對比相精度的提高具有一定的貢獻，該發(fā)明相比 于非線性最小方差法及最大似然法得到的比相精度提高了近IO 2的數(shù)量級。
【附圖說明】