X射線脈沖星信號(hào)時(shí)延的實(shí)時(shí)估計(jì)方法

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1、航空學(xué)報(bào)ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJul252014Vol35No71966—1976ISSN1000—6893ON11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaaeducnhkxb@buaaeducnx射線脈沖星信號(hào)時(shí)延的實(shí)時(shí)估計(jì)方法李鵬飛，徐國(guó)棟+，董立珉，候天蕊哈爾濱工業(yè)大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)研究所，黑龍江哈爾濱150001摘要：針對(duì)在頻域內(nèi)計(jì)算x射線脈沖星信號(hào)延時(shí)量存在滯后性，進(jìn)而難以為航天器自主導(dǎo)航提供實(shí)時(shí)信息的問題，提出將脈沖星信號(hào)延時(shí)估計(jì)轉(zhuǎn)化為時(shí)域內(nèi)標(biāo)量估計(jì)的方法。首先，通過人工神經(jīng)智能網(wǎng)絡(luò)獲得脈沖星信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)輪廓函數(shù)作為狀

2、態(tài)方程；應(yīng)用粒子濾波算法對(duì)脈沖星信號(hào)延時(shí)量進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)；其次，為了避免標(biāo)準(zhǔn)粒子濾波器中的粒子退化現(xiàn)象，推導(dǎo)并證明了一種新型粒子濾波算法；最后，推導(dǎo)出粒子濾波算法的精度函數(shù)，為航天器的導(dǎo)航策略提供參考。以航天器在軌運(yùn)行中可能遇到的3種情況為背景，驗(yàn)證了所提粒子濾波算法的正確性與有效性。關(guān)鍵詞：脈沖星；信號(hào)輪廓模型；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；粒子濾波；粒子退化中圖分類號(hào)：V448．21；V448．25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10006893(2014)07196611基于脈沖星的航天器自主導(dǎo)航方法完全擺脫了航天器在軌執(zhí)行任務(wù)時(shí)對(duì)地面站的依賴，是一種真正意義上的自主導(dǎo)航方法。自1974年美

3、國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)的Downs在文獻(xiàn)[1]中提出利用x射線脈沖星為航天器導(dǎo)航的構(gòu)想以后，這一技術(shù)引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。目前基于脈沖星導(dǎo)航的理論研究主要集中在簡(jiǎn)化參考系的轉(zhuǎn)換模型，以及脈沖星信號(hào)的識(shí)別與延時(shí)量估計(jì)2個(gè)方面，其中后者是脈沖星導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。文獻(xiàn)[2]提出了時(shí)域內(nèi)累加的方法，提高脈沖星信號(hào)的信噪比(SNR)，對(duì)累加后的信號(hào)進(jìn)行時(shí)延估計(jì)。這種方法建立在信號(hào)積累時(shí)問內(nèi)脈沖星信號(hào)時(shí)延不變的假設(shè)下，并且不能實(shí)現(xiàn)脈沖星信號(hào)的辨識(shí)，因而實(shí)際工程意義不大。文獻(xiàn)[3]提出在頻域范圍內(nèi)對(duì)脈沖星信號(hào)進(jìn)行處理，以脈沖星的幅頻特性對(duì)脈沖星信號(hào)進(jìn)行

4、識(shí)別，識(shí)別效果較好，但是通過相頻特性估計(jì)脈沖星信號(hào)時(shí)延的誤差受信噪比影響較大，取得較高精度的信號(hào)延時(shí)估計(jì)需要較長(zhǎng)時(shí)問的信號(hào)積累。文獻(xiàn)[4]提出一種基于離散方波變換的周期信號(hào)檢測(cè)算法，縮短了利用幅頻特性進(jìn)行脈沖星信號(hào)檢測(cè)所需要的時(shí)問，但是仍不能對(duì)脈沖星信號(hào)的延時(shí)進(jìn)行估計(jì)。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]提出利用小波閾值消噪處理脈沖星信號(hào)以實(shí)現(xiàn)噪聲剔除處理，在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)It]引入模糊理論建立隸屬度函數(shù)，結(jié)合小波閾值消噪方法較好地實(shí)現(xiàn)壓制噪聲。從計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果上看，以上較為先進(jìn)的信號(hào)處理方法是可行的，但是從精度與實(shí)時(shí)性方面來看，難以滿足基于x射線脈沖星導(dǎo)航的需要。文獻(xiàn)[8]在分析脈沖星

5、信號(hào)輪廓光子分布差異的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于輪廓光子分布統(tǒng)計(jì)量的辨識(shí)算法，提高了脈沖星信號(hào)的檢測(cè)速度，但仍不能估計(jì)脈沖星信號(hào)的延時(shí)量。文獻(xiàn)[9]提出一種基于s變換的信號(hào)檢測(cè)算法，進(jìn)一步提高了脈沖星信號(hào)的檢測(cè)速度，但是s變換域功率譜閥值的選取收稿日期：2013—09—16；退修日期：2013—12—12；錄用日期：2014-01—20；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014—02—1309：24網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWWcnkinet／kcms／detaii／s1000．689320130526html基金項(xiàng)目：國(guó)家“863”計(jì)劃(2008AA8051602)*通訊作者Tel：0451-864141

6、17E-mail：xgdong61@163com黽屬格式LiPF，XuGD，DongLM，etalArealtimeestimationmethodoftime—delayforX-raypulsarsigna

7、!正ActaAeronauticaetAs．tronauticaS／nica，2014，35(7)：1966—1976李鸚飛，徐國(guó)棟，董立珉，等X射線脈沖星信號(hào)時(shí)延的實(shí)時(shí)估計(jì)方法!芘航空學(xué)報(bào)，2014，35(7)：1966—1976李鵬飛等：x射線脈沖星信號(hào)時(shí)延的實(shí)時(shí)估計(jì)方法不當(dāng)將導(dǎo)致對(duì)脈沖星信號(hào)延時(shí)的估計(jì)精度大為降低?；谏鲜銮闆r，本文從時(shí)問序列角度考慮脈沖星信

8、號(hào)的識(shí)別與延時(shí)估計(jì)問題。其處理過程分為3方面：①建立脈沖星信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)輪廓的數(shù)學(xué)模型；②利用現(xiàn)代狀態(tài)估計(jì)算法獲取實(shí)時(shí)的脈沖星信號(hào)延時(shí)量；③建立信號(hào)延時(shí)估計(jì)量精度的指示函數(shù)，用于脈沖星信號(hào)的辨識(shí)。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)期觀測(cè)，可用于航天器導(dǎo)航的脈沖星信號(hào)觀測(cè)數(shù)據(jù)十分豐富，多數(shù)脈沖星信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)輪廓數(shù)據(jù)已經(jīng)公布，為以時(shí)問為變量的數(shù)學(xué)模型的建立提供了基礎(chǔ)。由于理論上人工神經(jīng)智能網(wǎng)絡(luò)可以擬合任何非線性函數(shù)口?，并考慮到脈沖星信號(hào)輪廓的強(qiáng)非線性，本文選用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)脈沖星信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。建立脈沖星信號(hào)輪廓的數(shù)學(xué)模型為信號(hào)在時(shí)域上的預(yù)測(cè)提供了基礎(chǔ)